Cette thèse s'articule autour du concept "système de vision à base de rétine électronique". Le travail de cette thèse porte plus particulièrement sur la conception et la réalisation d'un capteur d'image CMOS logarithmique avec une fonction de compensation on-chip du BSF (Bruit Spatial Fixe). Les expériences récentes montrent qu'un capteur d'image ayant une réponse logarithmique, similaire à celle de l'œil humain, est très adapté pour des applications de vision. Cette réponse logarithmique donne non seulement un signal image directement proportionnel au contraste optique mais aussi une plage dynamique de fonctionnement très étendu liée à la compression opérée par la fonction logarithmique.<br />L'un des principaux problèmes dans un capteur d'image logarithmique, est le BSF. Ce bruit réduit la qualité de l'image et limite l'utilisation de ce type de capteur dans des applications de vision. Dans cette thèse, nous avons exploré une structure radicalement différente de celle utilisée par beaucoup d'autres chercheurs : utilisation d'une photodiode en mode photovoltaïque plutôt qu'en mode photoconducteur. Cette photodiode combinée avec un transistor d'initialisation permet de générer un signal de référence noir dans n'importe qu'elle condition lumineuse. Cette nouvelle approche ouvre la voie à une compensation on-chip du BSF simple et efficace. Ce photorécepteur a été intensément étudié dans cette thèse. Un circuit prototype a été conçu et fabriqué dans une technologie CMOS standard 0,8um via le service CMP français. Il a été entièrement testé et caractérisé. Le résultat expérimental a non seulement validé les prédictions théoriques mais aussi a démontré une bonne qualité de l'image et aussi une bonne sensibilité en condition de faible illumination. Certains problèmes de conception et phénomènes électriques ont été également étudiés dans cette thèse. Des solutions proposées à ces problèmes peuvent être intéressantes pour les concepteurs et les chercheurs dans ce domaine. A la fin, quelques questions en suspens sur le capteur d'image logarithmique ont été soulignées et des directions de recherche correspondantes ont été précisées.

La vitesse du son dans les écoulements cavitants varie considérablement en fonction du taux de vide local. Par exemple, elle est proche de 1500 mis dans l'eau pure, 400 mis dans la vapeur d'eau et peut diminuer bien en dessous de ces valeurs dans le mélange liquide-vapeur. Les écoulements cavitants sont donc quasiment incompressibles dans les zones purement liquides, et fortement compressibles dans les zones diphasiques. Il est nécessaire de prendre en compte la compressibilité du fluide dans les simulations numériques afin de reproduire certains mécanismes complexes associés aux instabilités de cavitation. Cela nécessité une estimation correcte de la vitesse du son dans un milieu cavitant. Ce travail de thèse avait donc pour principal objectif la création d' une zone de cavitation homogène afin d'y mesurer la célérité du son en fonction du taux de vide. Un dispositif expérimental a donc été développé pour créer une telle zone. Deux méthodes pour mesurer la vitesse du son sont examinées: J- avec 3 capteurs de pression équidistants le long de la veine d'essais TI- avec 2 hydrophones en vis-à-vis dans une section de la veine. Le taux de vide est mesuré à l 'aide d' une sonde optique. L'étalonnage de la sonde optique et la validation des mesures des capteurs et des hydrophones, sont fait en écoulement eau-air. La méthode J étant plus adaptée pour la mesure de la vitesse du son, est appliquée pour un écoulement cavitant. Pour chaque écoulement (eau-air et cavitant), les résultats sont comparés avec les modèles théoriques existants et une discussion est menée. Un bon accord se révèle entre les expériences et la théorie.

Cette thèse présente diverses applications de la photopolymérisation radicalaire dans les puces microfluidiques. Dans un premier temps, nous décrirons l'importance des modifications de surfaces des puces microfluidiques afin de conférer à la surface un caractère hydrophile et neutre. Nous présenterons une modification de surface par photopolymérisation radicalaire in-situ de polyacrylamide pour des puces d'une part en PDMS, sur lequel la longévité des modifications de surface est difficile à obtenir, et d'autre part sur le COC qui étant inerte chimiquement, est difficilement modifiable. Dans une autre application la photopolymérisation sera effectuée en volume et nous permettra d'intégrer très simplement des MEMS, in-situ dans le microcanal. L'intégration de réseaux de colonnes fonctionnalisées avec des protéines sera présentée, ainsi que l'implémentation de deux capteurs de flux. Un capteur de flux basé sur l'élongation d'une structure déformable s'est montré très performant en terme de large gamme de mesures, de sensibilité et de reproductibilité. Le deuxième capteur de flux est basé sur la rotation d'un objet autour d'un axe. Sa mesure est indépendante de la viscosité du fluide malgré ses moindres performances.

Le CETP a une expertise reconnue depuis de nombreuses années dans le domaine des capteurs de champs magnétiques alternatifs en environnement spatial (plasmas naturels et magnétosphère). Ces magnétomètres nommés searchcoils, sont constitués d'un noyau en matériau ferromagnétique sur lequel est bobiné un fil de cuivre. De récentes améliorations ont été apportées aux searchcoils en travaillant sur la forme de leur noyau magnétique : des instruments plus petits et plus légers, à sensibilité égale, ont pu être réalisés pour la mission multisatellite THEMIS par exemple. Par principe, le searchcoil ne permet pas de mesurer les champs magnétiques continus. Dans les expériences spatiales, cette mesure est confiée au magnétomètre fluxgate. Les capteurs de champs magnétiques issus des technologies employées pour la microélectronique (dépôts en couches minces, semi-conducteurs), tels que les capteurs à effet Hall ou les magnétorésistances, n'ont pas des sensibilités comparables à celles des fluuxgates, et ce, à au moins trois ordres de grandeur près ! Le point de départ de notre travail est d'ajoindre au searchcoil un capteur de champ magnétique continu issu de la microélectronique en utilisant le noyau magnétique pour améliorer sa sensibilité et tenter d'atteindre les performances des fluxgates. Ce nouvel instrument aurait pour intérêt de proposer une mesure redondante sur le champ magnétique continu, en utilisant une technologie différente du fluxgate, sans augmentation de l'encombrement puisque le searchcoil est peu modifié par l'introduction du microcapteur.

Les nanofils de semiconducteurs, d'oxides métalliques ou encore les nanotubes de carbone suscitent beaucoup d'intérêt pour des applications en nanoélectronique, mais également pour le développement de nanocapteurs chimiques ou biologiques. Cet intérêt pour les capteurs est principalement motivé par les propriétés liées aux faibles dimensions radiales et aux forts ratios surface/volume de ces nano-objets qui les rendent extrêmement sensibles aux effets de surface, et par conséquent à leur environnement. Les variations de charges de surface des matériaux en fonction du milieu peuvent également être utilisées comme une voie pour l'auto-organisation de nano-objets. Ce travail s'inscrit dans cette perspective. La voie chimique explorée pour la localisation est compatible avec une intégration de nano-objets a posteriori sur une technologie CMOS silicium. Plus précisément, notre approche " Bottom Up " repose sur les variations de la charge de surface du SiO2 et du Si3N4 en fonction du pH de la solution. Après une revue de littérature sur les points de charge nulle (PZC) des différents isolants selon leurs techniques d'élaboration, nous avons étudié expérimentalement les propriétés de couches de SiO2 thermique et de Si3N4 (LPCVD). Les PZC de ces différents isolants ont été déterminés par des mesures d'impédance électrochimique réalisées sur des structures EIS et couplées avec des mesures d'angle de contact en fonction du pH. Une étude systématique en fonction du pH (1.5 à 4.5) a été réalisée et un protocole expérimental a pu être mis en place pour démontrer la localisation préférentiellement les nanofils de silicium sur Si3N4. Nous avons pu démontrer qu'une localisation quasi parfaite était possible pour un pH compris entre 3 et 3,25 conformément au modèle électrostatique proposé. Le procédé développé présente l'avantage d'être simple, reproductible et peu coûteux. Il utilise une chimie très classique à température ambiante pour localiser des nano-objets silicium sans présenter de risque pour les dispositifs CMOS des niveaux inférieurs.

Th.--Sci. phys.--Grenoble--I.N.P.G., 1984. N°: DE 168.

Th.--Sci., autom.--Rennes 1, 1982. N°: 358.

Le 21_eme siècle est le siècle de l'explosion informatique, des milliards de Données sont produites, collectées et stockées dans notre vie quotidienne. Les façons de collecter les ensembles de données sont multiples mais toujours en essayant d'optimiser le critère qui consiste _a avoir le maximum d'information dans le minimum de données numérique. Il est préférable de collecter directement l'information, car les informations étant contraintes sont dans un espace plus faible que celui où évolues les données (signaux ou états). Cette méthode est donc appelée \la collecte de l'information", et conceptuellement peut ^être résumée dans les trois étapes suivantes : (1) la modélisation, ceci consiste _a condenser l'information pertinente pour les signaux _a un sous-espace plus petit; (2) l'acquisition, ceci consiste _a collecter et préserver l'information dans un espace inferieur _a la dimension des données et (3) la restauration, ceci consiste _a reconstituer l'information dans son espace d'origine. En suivant cette pensée, les principales contributions de cette thèse, concernant les observateurs et le \Compressive Sensing" (CS) basé sur des modèles bay_esiens peuvent ^être unies dans le cadre de la collecte de l'information : les principaux problèmes concernés par ces deux applications peuvent ^être de façon analogue, scindés en les trois étapes sus- mentionnées. Dans la première partie de la th_ese, le problème réside dans le domaine des systèmes dynamiques où l'objectif est de retrouver l'état du système _a partir de la mesure de la sortie. Il nous faut donc déterminer si les états du système sont récupérables _a partir des mesures de la sortie et de la connaissance partielle ou totale du modèle dynamique, c'est le problème de l'observabilité. Ensuite de transposer notre problème dans une représentation plus appropriée, c'est l'écriture sous forme normale et en récupérer l'information, c'est la phase de synthèse d'observateur. Plus précisément dans cette partie, nous avons considéré une classe de systèmes à commutation haute fréquence allant jusqu'au phénomène de Zénon. Pour ces deux types de commutation les transitions de l'état discret sont considérées trop élevées pour ^être mesurées. Toutefois, la valeur moyenne obtenue par filtrage des transitions peut ^être acquise ce qui donne une connaissance partielle des états discrets. Ici, avec ces seuls informations partielles, nous avons discuté de l'observabilité et ceci par les approches géométrie différentielle et algébrique. Aussi, des observateurs ont été proposes par la suite. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons abordé de la même manière le thème du CS qui est une alternative efficace à l'acquisition abondante de données faiblement informatives pour ensuite les compresser. Le CS se propose de collecter l'information directement de façon compressée, ici les points clés sont la modélisation du signal en fonction des connaissances a priori dont on dispose, ainsi que la construction d'une matrice de mesure satisfaisant la \restricted isometry property" et finalement la restauration des signaux originaux clairsemés en utilisant des algorithmes d'éparpillement régularisé et d'inversion linéaire. Plus précisément, dans cette seconde partie, en considérant les propriétés du CS liées _a la modélisation, la capture et la restauration, il est proposé : (1) d'exploiter les séquences chaotiques pour construire la matrice de mesure qui est appelée la matrice chaotique de mesure, (2) considérer des types de modèle de signal clairsemé et reconstruire le modèle du signal à partir de ces structures sous-jacentes des modèles clairsemés, et (3) proposer trois algorithmes non paramétriques pour la méthode bayesienne hiérarchique. Dans cette dernière partie, des résultats expérimentaux prouvent d'une part que la matrice chaotique de mesure a des propriétés semblables aux matrices aléatoires sous-gaussienne et d'autre part que des informations supplémentaires sur les structures sous-jacentes clairsemés améliorent grandement les performances de reconstruction du signal et sa robustesse vis-a-vis du bruit. / This is the era of information-explosion, billions of data are produced, collected and then stored in our daily life. The manners of collecting the data sets are various but always following the criteria { the less data while the more information. Thus the most favorite way is to directly measure the information, which, commonly, resides in a lower dimensional space than its carrier, namely, the data (signals or states). This method is thus called information measuring, and conceptually can be concluded in a framework with the following three steps: (1) modeling, to condense the information relevant to signals to a small subspace; (2) measuring, to preserve the information in lower dimensional measurement space; and (3) restoring, to reconstruct signals from the lower dimensional measurements. From this vein, the main contributions of this thesis, saying observer and model based Bayesian compressive sensing can be well uni_ed in the framework of information measuring: the main concerned problems of both applications can be decomposed into the above three aspects. In the _rst part, the problem is resided in the domain of control systems where the objective of observer design is located in the observability to determine whether the system states are recoverable and observation of the system states from the lower dimensional measurements (commonly but not restrictively). Speci_cally, we considered a class of switched systems with high switching frequency, or even with Zeno phenomenon, where the transitions of the discrete state are too high to be captured. However, the averaged value obtained through filtering the transitions can be easily sensed as the partial knowledge. Consequently, only with this partial knowledge, we discussed the observability respectively from differential geometric approach and algebraic approach and the corresponding observers are designed as well. At the second part, we switched to the topic of compressive sensing which is objected to sampling the sparse signals directly in a compressed manner, where the central fundamentals are resided in signal modeling according to available priors, constructing sensing matrix satisfying the so-called restricted isometry property and restoring the original sparse signals using sparse regularized linear inversion algorithms. Respectively, considering the properties of CS related to modeling, measuring and restoring, we propose to (1) exploit the chaotic sequences to construct the sensing matrix (or measuring operator) which is called chaotic sensing matrix, (2) further consider the sparsity model and then rebuild the signal model to consider structures underlying the sparsity patterns, and (3) propose three non-parametric algorithms through the hierarchical Bayesian method. And the experimental results prove that the chaotic sensing matrix is with the similar property to sub-Gaussian random matrix and the additional consideration on structures underlying sparsity patterns largely improves the performances of reconstruction and robustness.

Cette thèse concerne la construction d’un microrhéomètre. Il assure la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires des fluides complexes sur une large gamme de fréquence (de 1Hz à 100kHz). Afin de répondre à la problématique de mesure des propriétés rhéologiques de petites quantités de fluide pour des gammes de fréquence étendues, la dynamique en milieu liquide des microstructures résonantes en silicium a été analysée. A cette échelle micrométrique, les vibrations de micropoutre dépendent non seulement des propriétés de la microstructure (géométrie, matériaux) mais aussi des propriétés du fluide environnant (densité, viscoélasticité). En effet, de façon schématique, la présence du fluide se traduit par deux phénomènes : un phénomène d’inertie (‘effet de masse’) et un phénomène dissipatif (‘effet de pertes visqueuses’). Ainsi l’analyse de la réponse fréquentielle des microstructures mobiles permet de remonter aux propriétés des fluides en fonction de la fréquence. / Abstrac

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration d’un modèle prédictif de la croissance d’une microalgue eucaryote en photobioréacteur, basé sur une analyse du métabolisme de croissance de l’algue verte modèle Chlamydomonas reinhardtii en conditions photoautotrophes. Le modèle proposé appartient à la famille des modèles biochimiquement structurés. Outre la détermination prédictive des rendements de conversion des substrats en produits assurée par la représentation du métabolisme énergétique cellulaire, le modèle permet de décrire le comportement dynamique des microalgues en photobioréacteurs, en incluant l’adaptation de la teneur en pigments aux conditions de lumière fluctuantes, pour une large plage de conditions opératoires. Le modèle a été identifié et validé sur une base de données expérimentales obtenues pour des cultures continues et discontinues, élaborée dans le cadre de ce travail de thèse, comportant des mesures intra- et extracellulaires. Cette modélisation du comportement d’une microalgue eucaryote en photobioréacteur a été étendue à une description de la phase abiotique du bioréacteur, reposant sur une analyse et une caractérisation du transfert de matière gaz-liquide (O2 / CO2) dans les conditions étudiées. Cette modélisation de la phase abiotique a conduit au développement d’un estimateur de la concentration en biomasse basé sur la mesure de la vitesse nette de production d’oxygène. Cet outil a été validé expérimentalement, et a servi au suivi de cultures en temps réel, ainsi qu’au pilotage d’un photobioréateur en mode turbidostat. / The present work deals with the elaboration of a predictive model for the growth of eukaryotic microalgae in photobioreactors, built on an analysis of the growth metabolism of the model green alga Chlamydomonas reinhardtii in photoautotrophic conditions. The proposed model belongs to the family of biochemically-based structured models. Besides a comprehensive representation of the conversion yields of substrates into products based on the description of cellular energetic metabolism, the model allows to predict the dynamic behaviour of microalgae growth in photobioreactors for a wide range of operating conditions, including pigment adaptation to fluctuating light conditions. The model has been identified and validated on an experimental dataset obtained for continuous and batch cultures carried out as part of the PhD, including intraand extracellular measurements. Modelling of microalgal growth behaviour in photobioreactors has been extended to a description of the reactor abiotic phase, relying on the analysis and characterization of gas-liquid mass transfer (O2 / CO2) under the conditions of the study. The abiotic phase modelling has led to the development of a biomass concentration estimator based on the measurement of the net oxygen production rate. This tool has been validated experimentally and has been applied to the real-time monitoring of cultures, as well as the control of a photobioreactor in turbidostat mode.