Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / Cette recherche est financée par le programme CREATE du SMAART-CRSNG et la stratégie Sentinelle Nord de l'Université Laval. Ce projet vise à mettre au point un prototype de biocapteur multi détection utilisé pour surveiller la croissance des bactéries ainsi que les paramètres de croissance de leur environnement, notamment le pH et la température, dans divers environnements et dans des endroits éloignés comme le Grand-Nord canadien. La mesure de l'activité des micro-organismes, comme les bactéries, à très basse température peut être extrêmement difficile en raison de leur faible métabolisme et de leur taux de croissance beaucoup plus lent. En effet, la surveillance de leurs fonctions nécessite des outils de haute précision. En outre, lorsque la température ou le pH du milieu de croissance dépasse la plage optimale, la croissance du micro-organisme est entravée. Par conséquent, il est essentiel de surveiller les paramètres environnementaux et les facteurs écologiques, tels que le pH et la température, car ils ont un impact direct sur la croissance bactérienne. Un autre élément essentiel pour améliorer la sensibilité des mesures est la conception et le dimensionnement optimaux des électrodes de détection. La réduction de la taille des électrodes de détection peut permettre une détection à haut débit dans les applications microbiologiques, et permettre des mesures avec un échantillonnage de volume minuscule. Enfin, un système à micro-échelle léger et peu coûteux permet un transport facile dans les régions éloignées. Nous avons donc conçu et fabriqué un nouveau biocapteur multimodal de haute précision, de faible puissance et de poids léger, afin de mesurer la croissance les colonies de bactéries sur le terrain, tout en relevant tous les défis critiques mentionnés ci-dessus. Comme première contribution, pour augmenter la sensibilité des mesures, non seulement le matériau des électrodes mais aussi leur mise à l'échelle et leur miniaturisation sont abordés et évalués. Le prototype utilise plusieurs électrodes à l'échelle microscopique intégrées dans une seule zone de détection pour mesurer avec précision les changements d'impédance, de pH et de température ambiante causés par les activités microbiennes. Cette conception unique comprend des électrodes interdigitées plaquées or (AuIDE), des électrodes de pH à base d'oxyde d'iridium (IrO₂) et des électrodes de détecteur de résistance-température (RTD) en or en forme de serpent sur une seule zone de détection. Plusieurs géométries d'électrodes sont conçues et mises en œuvre de manière optimale sur un circuit imprimé flexible standard, et sont comparées pour évaluer l'effet d'une zone de détection donnée sur la sensibilité du biocapteur à l'aide de diverses techniques de mesure et de circuits personnalisés. Le circuit imprimé de l'électrode est connecté à un circuit imprimé personnalisé contenant les circuits de détection pour la mesure de l'impédance, du pH et de la température. Dans la deuxième contribution, pour une détection d'impédance entièrement intégrée, un amplificateur à verrouillage CMOS (LIA) personnalisé est conçu et fabriqué dans une technologie CMOS de 0,18 µm pour surveiller la croissance bactérienne dans divers environnements à l'aide d'une technique de mesure d'impédance multifréquence. En termes de conception de circuit, un nouvel amplificateur de transimpédance capacitif (CTIA) entièrement différentiel, à faible bruit, avec Chopper stabilisation et S/H dans l'étage de sortie pour maximiser le SNR, est inclus dans la conception LIA proposée. Les autres composants principaux du LIA sont un filtre passe-bande avec des fréquences centrales sélectionnables de 1, 2, 4 et 10 kHz, un amplificateur de gain programmable (PGA) qui offre six gains variables allant de 6 dB à 67 dB pour ajuster le gain dans une plage raisonnable pour détecter le signal d'entrée sans saturer le système, un mélangeur, et un filtre passe-bas avec une largeur de bande de 40 Hz. La sensibilité globale du LIA est de 240 mV/nA avec un courant détectable minimal de 1 pA, un bruit référencé à l'entrée de 58 pA/Hz et une consommation d'énergie totale de 817,56 µW. Comparé à d'autres solutions de la littérature, ce nouveau système donne un dispositif très précis, à faible bruit et à faible consommation d'énergie pour surveiller l'activité microbienne à de faibles concentrations en mesurant l'impédance résultant des métabolites ioniques libérés. Pour relever le troisième défi critique, les circuits de lecture des capteurs de pH et de température sont fabriqués à l'aide de composants disponibles dans le commerce. Un circuit de mesure du pH est conçu en utilisant un amplificateur opérationnel avec un courant de polarisation d'entrée très faible. De plus, un circuit en pont de Wheatstone avec un réseau de résistances est conçu pour mesurer la température en se reliant à l'électrode de température RTD comme une valeur de résistance inconnue. Le microcontrôleur 8 bits reçoit le signal filtré, amplifié et numérise et traite les données du capteur. Le prototype a été utilisé avec succès pour effectuer des mesures de croissance bactérienne in vitro. Dans l'ensemble, il s'agit du premier système qui fournit un biocapteur multimodal de haute précision, à faible consommation d'énergie, à faible coût, à faible bruit, léger et non invasif pour la surveillance de la culture bactérienne. Ce système peut faire des mesures dans un très petit volume grâce à un microsystème de mesure d'impédance intégré. Ainsi, il peut être utilisé pour la surveillance des paramètres environnementaux, y compris le pH et la température, en utilisant des électrodes et des capteurs de haute précision conçus et fabriqués de manière optimale. / This research is funded by the SMAART-NSERC CREATE Program and the Sentinel North Strategy at Université Laval. This project aimed to develop a multi-sensing biosensor prototype used for monitoring bacterial growth as well as their environmental growth parameters, including pH and temperature, in diverse environments and remote locations such as Canada's north. Measuring the activity of microorganisms, such as bacteria, at very low temperatures can be extremely challenging due to their low metabolism and much slower growth rate. Indeed, monitoring their functions requires high-precision tools. Furthermore, when the temperature or pH of the growth medium goes beyond the optimal range, the microorganism's growth is hindered. As a result, monitoring the environmental parameters and ecological factors, such as pH and temperature, is critical because they directly impact bacterial growth. Another critical component for improving measurement sensitivity is the optimal design and scaling of sensing electrodes. Sensing electrode downsizing can enable high-throughput sensing in microbiology applications, and enable measurements with tiny volume sampling. Finally, a light-weight and inexpensive microscale system would allow easy transportation in remote areas. We, therefore, designed and fabricated a novel multimodal high-precision, low-power, and light-weight biosensor to interface with bacteria colonies while addressing all the critical challenges mentioned above. As the first contribution, to increase the sensitivity of measurements, not only the material of the electrodes but also their scaling and miniaturization are addressed and evaluated. The prototype uses multiple microscale electrodes integrated into a single sensing area to precisely measure impedance, pH, and ambient temperature changes caused by microbial activities. This unique design includes the optimally designed gold-plated interdigitated electrodes (AuIDEs), Iridium oxide (IrO₂)-based pH electrodes, and the snaked-shape gold resistance-temperature detector (RTD) electrodes on a single sensing area. Multiple electrode geometries are optimally designed and implemented on a standard flexible PCB and are compared to evaluate the effect of a given sensing area on the sensitivity of the biosensor employing various measurement techniques and customized circuits. The electrode's PCB is connected to a custom-designed PCB containing the sensing circuits for impedance, pH, and temperature measurement. As the second contribution, for fully integrated impedance sensing, a custom CMOS lock-in amplifier (LIA) is designed and fabricated in a 0.18 µm CMOS technology to perform bacterial growth monitoring in diverse environments using a multi-frequency impedance measurement technique. In terms of circuit design, a novel fully differential, low-noise capacitive transimpedance amplifier (CTIA) with chopper stabilization and S/H in the output stage to maximize SNR is included in the proposed LIA design. The other major components of the LIA are a band-pass filter with selectable center frequencies of 1, 2, 4, and 10 kHz, a programmable gain amplifier (PGA) that offers six variable gains ranging from 6 dB to 67 dB to adjust the gain within a reasonable range to detect the input signal without saturating the system, a mixer, and a low-pass filter with a bandwidth of 40 Hz. The overall sensitivity of the LIA is 240 mV/nA with a minimum detectable current of 1 pA, input-referred noise of 58 pA/Hz, and a total power consumption of 817.56 µW. Compared to other solutions in the literature, this novel system results in a highly precise, low-noise, and low-power consumption device for monitoring microbial activity at low concentrations by measuring the impedance as a result of released ionic metabolites. To address the third critical challenge, the reading circuits of the pH and temperature sensors are fabricated using off-the-shelf components. A pH measuring circuit is designed using an operational amplifier with a very low input-bias-current. Furthermore, a Wheatstone bridge circuit with a network of resistors is designed to measure temperature by linking to the RTD temperature electrode as an unknown resistor value. The 12-bit microcontroller receives the filtered and boosted signal and digitizes and processes the sensor's data. The prototype was successfully used to perform bacterial growth measurements in vitro. Overall, this is the novel system that provides a high-precision, low-power consumption, low-cost, low-noise, lightweight, and non-invasive multimodal biosensor for bacterial culture monitoring at very small volume through a custom integrated impedance measurement microsystem, as well as environmental parameter monitoring, including pH and temperature, employing optimally designed and fabricated electrodes and high-precision sensors.

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

L’hypertension occupe une place de plus en plus prépondérante dans notre société. En effet, selon Statistiques Canada, près de 1 Canadien sur 4 soufrerait d’hypertension en 2019. Si l’hypertension demeure non contrôlée, celle-ci constitue le principal facteur de risque causant les maladies cardiovasculaires. En 2008, l’Organisation Mondiale de la Santé rapportait que 33% des décès dans le monde étaient causés par les maladies cardiovasculaires et que 55% d’entre eux étaient directement attribuables aux complications causées par l’hypertension. Selon l’OMS, une prévention efficace des maladies cardiovasculaires passe par la promotion de saines habitudes de vie ainsi qu’une stratégie efficace de dépistage de l’hypertension. Cette stratégie passe nécessairement par la mesure de la tension artérielle, laquelle s’effectuant majoritairement en utilisant la méthode oscillométrique. Récemment, des études ont démontrées que les mesures ambulatoires échelonnées sur une période de 24 heures permettaient de mieux diagnostiquer l’hypertension. Ces mesures ambulatoires sont effectuées par des appareils spécialisés connus sous l’appellation de moniteurs ambulatoires de la pression artérielle (MAPA). Or, ces appareils emploient des algorithmes propriétaires afin d’estimer la tension systolique et diastolique et ne permettent pas d’obtenir le signal oscillométrique brut. Cela rend, par conséquent, impossible la constitution d’une base de données de signaux ou encore évaluer les algorithmes d’estimation de la tension systolique et diastolique qui sont pourtant nombreux dans la littérature. Nous proposons alors le concept d’un appareil de mesure de la tension artérielle dont les caractéristiques rendent son utilisation propice dans un contexte ambulatoire. Léger, ergonomique et compact, l’appareil peut être installé à même le brassard et le signal oscillométrique est envoyé directement à une station de base par un lien sans-fil Bluetooth Low Energy. Qu’il s’agisse d’un téléphone intelligent, une tablette, un ordinateur portatif ou encore un appareil spécialisé, la station de base peut alors sauvegarder les données et constituer une base de données de signaux oscillométriques afin d’évaluer qualitativement les algorithmes d’estimation de la tension systolique et de la tension diastolique proposés par la littérature. / Hypertension is taking an increasingly prominent place in our society. In fact, almost 1 in 4 Canadians are suffering from hypertension in 2019 according to Statistics Canada and constitutes the main risk factor that leads to cardiovascular diseases if left uncontrolled. In 2008, the World Health Organization (WHO) reported that 33% of deaths worldwide were due to cardiovascular disease and 55% of them were directly attributable to complications caused by hypertension. Still according to the WHO, effective cardiovascular diseases prevention involves promoting healthy lifestyles and an effective hypertension screening strategy. This strategy necessarily implies the measurement of blood pressure, which is mainly carried out using the oscillometric method. Recently, studies have shown that ambulatory measurements over a 24-hour period can better diagnose hypertension. These ambulatory measurements are done by specialized devices known as ambulatory blood pressure monitors (ABPM). However, these devices use proprietary algorithms that estimate the systolic and diastolic pressure and does not allow to obtain the raw oscillometric signal. Thus, those devices can’t be used to build a signal database in a way that blood pressure estimation algorithms found in literature can be assessed. We therefore propose the design of a light, ergonomic and compact ambulatory blood pressure measurement device whose characteristics makes it ideal for use in ambulatory contexts. The device can be installed directly on the cuff and the oscillometric signal is sent to a base station through a Bluetooth Low Energy link. Whether it is a smartphone, a tablet, a laptop or a specialized device, the base station can save the data and build a database of oscillometric signals in order to qualitatively assess systolic and diastolic blood pressure estimation algorithms proposed by the literature.

Cette thèse porte principalement sur le développement de nouveaux polymères de type n à base de naphtalène diimide et de pérylène diimide obtenus par polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) pour la fabrication de cellules solaires tout polymère. Tout d’abord, les deux premiers chapitres portent sur le développement d’une méthode robuste de PHAD sur des polymères bien connus de la littérature, le PNDIOD-T2 et le PNDIBS deux analogues à base de naphtalène diimide. Les polymères synthétisés via cette méthode ont été comparés à des matériaux synthétisés par une méthode dite classique dans le domaine; la polymérisation croisée de Stille-Migita. Cela a permis d’étudier la structure des matériaux pour en évaluer la régiorégularité; une caractéristique clef dans l’électronique organique étant donné que quelques pourcents de défauts au sein des structures peuvent entraîner une diminution importante des performances. Dans le cadre de ces chapitres, il a été possible de développer une méthode permettant d’obtenir des matériaux plus régiorégulier que lors de l’utilisation de la méthode classique; chose très peu répandue dans la littérature, mais au combien important. En effet, la PHAD est une méthode plus simple, plus écoresponsable que sa comparse ce qui ouvrirait les portes pour la réduction des coûts à l’échelle industrielle en plus de permettre la création d’énergies vertes via de la chimie verte. À la suite du développement de cette méthode, un nouveau défi était donc de développer de nouveaux matériaux accepteurs d’électrons. Pour ce faire, nous avons choisi de synthétiser des matériaux de types accepteur-accepteur pour moduler les propriétés optoélectroniques. Cette technique visait à diminuer les niveaux énergétiques des matériaux afin d’être plus complémentaire à ceux des matériaux donneurs. De cette façon, il serait possible d’obtenir une absorption des photons du soleil sur une plus large gamme de longueur d’onde afin d’améliorer les performances des cellules solaires organiques. Malheureusement, malgré la réussite d’obtention de propriété optoélectroniques désirées, les polymères synthétisés ne présentent pas des caractéristiques photovoltaïques intéressantes, ce qui pourrait s’expliquer par une morphologie de la couche active inadéquate. / This thesis focuses on the development of new n-type polymers based on naphthalene diimide and perylene diimide made by direct poly (hetero)arylation (DHAP) for the fabrication of all-polymer solar cells. First, the first two chapters focus on the development of a robust DHAP method on polymers well known in the literature, PNDIOD-T2 and PNDIBS. The polymers synthesized by this method were compared with materials synthesized by known conventional methods in the field; the polymerization via cross-coupling known as Stille-Migita. This allowed the structural analysis of the materials in order to evaluate their regioregularity; a key feature in organic electronics as a few percent of defects within structures result in a drastic decrease in devices performance. As part of these chapters, it has been possible to develop a method allowing to obtain more regioregular materials compared with the classical methods; this have not been observed frequently in the literature, but is an important matter. Indeed, PHAD is a simpler, more ecoresponsible production method than the Stille method, which would open the doors for the reduction of the costs on the industrial scale in addition to allowing the creation of green energy via green chemistry. As a result of the development of this method, the new challenge was therefore to develop new electron-accepting materials. To do so, we have chosen to synthesize acceptor-acceptor materials, this was to also modulate their optoelectronic properties. This technique aimed to decrease the energy levels of materials in order to be more complementary to those of donor materials. In this way, it would be possible to absorb photons from the sun over a wider wavelength range in order to improve the performance of organic solar cells. Unfortunately, despite the success in obtaining the desired optoelectronic properties, the synthesized polymers do not exhibit interesting photovoltaic characteristics, which could be explained by the inadequate morphology of the active layer.

Les situations d’urgence dans les pays en voie de développement amènent les populations locales à vivre sans accès à de l’eau propre à la consommation. Afin de répondre à de telles situations, un projet de développement d’un décanteur lamellaire transportable a débuté avec, comme objectif, d’obtenir un système permettant d’abaisser la turbidité d’une grande variété d’eaux brutes, pouvant être rencontrées sur le terrain, à un niveau de 5 UTN ou moins. À la suite des deux premières phases du projet (2011 et 2013), un travail de maîtrise ayant pour objectif d’améliorer la performance du système a été effectué et fait l’objet du présent mémoire. Ce travail inclut des essais en laboratoires à l'université Laval (Canada) ainsi que la construction de la version finale du système à Pune (Inde). Globalement, l’ajout d’un déversoir longitudinal et d’une plaque de déflection trouée au-dessus des lamelles du décanteur a permis d’améliorer la répartition du débit à travers ces lamelles. Également, un floculateur hydraulique à chicanes en configuration « autour de l’extrémité » a été construit et a permis d’atteindre l’objectif de traitement (5 UTN). / Emergencies in developing countries bring local population to live with a lack of safe drinking water. In order to answer these crisis, a transportable plate settler project was started and aimed at developing a system which would be able to reduce the turbidity of a great variety of raw water which can be found on the field during an emergency to 5 NTU or less. After the first two phases of the project (2011 and 2013), a master degree project was started with the aim of further improve the performance of the system and is the object of the present dissertation. This work includes laboratory tests at Laval University (Canada) and the construction of the final version of the system in Pune (India). In general, a lengthwise launder and a ported baffle were added above the settling plates allowed a better distribution of the flow though those plates. Also, a baffle hydraulic floculator in an "around-the-end" configuration was built and has allowed to achieve the performance objective (5 NTU).

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

Avec les émissions de gaz à effet de serre contribuant aux changements climatiques, les technologies de capture du CO₂ commencent à gagner en intérêt. Les contacteurs à membranes sont une alternative prometteuse aux contacteurs conventionnels pour l'absorption gaz-liquide du CO₂, permettant d'éviter les complications liées à la dispersion des phases tout en bénéficiant d'une modularité, d'un contrôle indépendant des débits de liquide et de gaz et d'une surface de contact plus élevée. Les deux inconvénients majeurs des contacteurs à membranes incluent l'usage de solvants coûteux et toxiques lors de la fabrication des membranes, ainsi que le potentiel de mouillage qui interfère avec l'absorption en augmentant la résistance au transfert de matière. Afin de remédier à ces deux obstacles, une méthode d'extrusion par fusion avec lessivage de sel a été développée dans notre groupe de recherche pour la fabrication de membranes à fibres creuses microporeuses hydrophobes, n'utilisant que du sel et de l'eau pour la formation des pores tout en générant une surface rugueuse et hydrophobe. L'objectif principal de ce projet est d'investiguer l'application de ce procédé d'extrusion par fusion avec lessivage de sel pour la fabrication de membranes planes. Les membranes ont été extrudées sous différentes conditions, en variant le type de polymère, la teneur en sel à l'alimentation, la méthode de d'alimentation, la méthode de figeage, la vitesse de rotation des vis et la vitesse de tirage à la sortie de l'extrudeuse. Lors de la fabrication des membranes, le contrôle de la structure poreuse est un défi important car le sel peut être sujet à des agglomérations. Toutefois, le cisaillement par la rotation des vis lors de l'extrusion et la désagglomération du sel par broyage peuvent aider à limiter les irrégularités dans la structure poreuse. Due à l'ajustabilité limitée de la filière utilisée pour l'extrusion, l'épaisseur des membranes a dû être ajustée en étirant les membranes à la sortie de l'extrudeuse, ce qui a comme effet secondaire d'altérer les propriétés de surface, menant à des angles de contact(105 à 115°) et des rugosités moyennes (20 à 150 nm) plus faibles que prévu. Par conséquent, l'usage d'une filière adaptée pour l'extrusion à des épaisseurs inférieures à 0,2 mm est recommandé pour la suite des travaux afin d'obtenir des membranes plates aux épaisseurs voulues et sans détériorer les propriétés de surfaces.

Pour les limnologistes étudiant les écosystèmes nordiques, les premiers indicateurs des changements climatiques apparaissent au bas de la chaine trophique : notamment dans les populations phytoplanctoniques. Une des techniques fréquemment utilisées pour caractériser cette frange du microbiome aquatique est la cytométrie en flux, une approche qui permet de caractériser individuellement la réponse optique, en fluorescence ou en diffusion, des cellules dans un échantillon. Malheureusement, ces instruments sont généralement très mal adaptés aux conditions que l'on peut retrouver en régions éloignées, notamment en raison de leur volume, leur poids et la sensibilité de leur alignement optique. De ce fait, les échantillons doivent généralement être préservés à −80°C puis être analysés au retour dans les laboratoires dans le sud. Ainsi, nous avons proposé de développer un cytomètre en flux portable optimisé pour la mesure optique de la fluorescence des pigments photosynthétiques des phytoplanctons et des cyanobactéries dans la gamme de taille de 0,2 à 2,0 µm (pico). Pour ce faire, un dispositif miniaturisé incorporant les structures microfluidiques nécessaires à la focalisation hydrodynamique des cellules ainsi que des fibres optiques permettant d'acheminer la lumière d'excitation et d'extraire la fluorescence avec un alignement robuste a été développé. Avec ce dispositif, un coefficient de variation de 9,5 % a été obtenu pour des particules de 2,0 µm de diamètre. Ensuite, un système intégrant ce dispositif dans un format portable a été développé. Ce système permet pour l'instant la mesure en laboratoire sur trois canaux, soit en diffusion à 633 nm et en fluorescence de la phycocyanine et de la chlorophylle-a, respectivement à 648±5 et 685±10 nm. Finalement, le dispositif microfluidique et le système ont été utilisés conjointement pour caractériser des échantillons de cultures de picophytoplanctons. Il a été possible de distinguer deux souches, une culture de picoeucaryotes (prasinophyceae RCC2335 ) et de picocyanobactéries CASES 2002 ) avec une efficacité de 91,3 %.

Les cours à bois jouent un rôle essentiel dans le bon fonctionnement de la chaîne d'approvisionnement forestier. La performance des opérations d'une cour est étroitement liée à sa conception. Le problème de conception des cours à bois a attiré peu d’attention dans le milieu scientifique bien que les recherches provenant d’autres secteurs industriels aient démontré l’importance stratégique des entrepôts sur les activités et la rentabilité économique des entreprises. Par conséquent, il existe un besoin de recherche dans cet environnement complexe pour la création d’une approche systématique visant à concevoir des cours à bois performantes en tenant compte de leurs conditions opérationnelles. Cette thèse vise à développer une méthodologie systématique de conception des cours à bois afin d’accroitre la performance de la chaîne d’approvisionnement forestier. Dans un premier temps, les pratiques actuelles de conception, de gestion et d’opérations réalisées dans les cours à bois ont été documentées. Des données détaillées sur la superficie, l’approvisionnement, les ressources humaines et machines, la gestion des inventaires et la performance ont été collectées au moyen de questionnaires personnalisés auprès de 38 des plus grandes usines de sciage SEPM au Québec. Ces données ont été complétées et clarifiées par des visites de sites et des entrevues avec les gestionnaires des cours à bois. Les résultats ont confirmé le besoin d’un guide de conception dans le milieu pratique et ont démontré une hétérogénéité des conditions opérationnelles des cours à bois. Une analyse des données obtenues nous a permis d’identifier les inhibiteurs de leur gestion et des opérations (saisonnalité de l’approvisionnement, forme de la cour, revêtement en terre battue). Par la suite, les données du sondage ont servi à comparer l’efficience technique des cours à bois et de leurs opérations. Une approche Data Envelopment Analysis (DEA) a permis d’identifier des sources d’inefficience en utilisant la superficie, le nombre de machines et le nombre d’employés en intrants, ainsi que le volume annuel en extrant au modèle. La moyenne d’efficience technique des cours sondées est de 62 % sous hypothèse de rendements d’échelle constants et de 81 % sous hypothèse de rendements d’échelle variables. L’inefficience des cours à bois est liée au rendement d’échelle (23 %) et à la consommation de ressources (19 %). Les résultats d’efficience ont été comparés au contexte opérationnel de la cour représentée par : le nombre de tris, la forme de la cour et la saisonnalité d’approvisionnement. Cette analyse a permis d’identifier deux pratiques (vieil équipement et revêtement en terre battue) qui influencent le plus la performance des cours à bois en tenant compte de leur contexte opérationnel. Finalement, une approche prenant en compte la saisonnalité de l’approvisionnement forestier dans les démarches de conception des cours à bois a été proposée. Cette approche bonifie la méthode de conception statique développée par Hampton dans les années 1980. La bonification permet d’adapter la conception de la cour aux conditions saisonnières d’approvisionnement en déterminant les saisons d’opérations et en intégrant des décisions flexibles de conception (capacité supplémentaire, ressources additionnelles, ressources flexibles). La démarche d’évaluation de la performance des scénarios proposés a également été bonifiée par l’application de la simulation à évènements discrets. L’applicabilité de la méthode est démontrée à l’aide d’un cas d’une cour existante dans la province de Québec au Canada. / Log yards play an essential role in the proper functioning of the forest supply chain. The performance of log yard operations is closely related to its design. Log yard design and operations have not been thoroughly represented in the scientific literature although research in other industrial sectors have demonstrated the strategic importance of warehouses to the activities and economic profitability of an enterprise. There is a need for research into this complex environment in order to and establish a systematic approach for designing efficient log yards considering their operational conditions. This thesis aims to develop a systematic log yard design methodology for improved forest supply chain efficiency. In the first part of this thesis, the current practices of log yard design, management and operations were documented. Detailed data on the area, supply, human and machine resources, inventory management and performance were collected using personalized questionnaires from the 38 largest softwood sawmills in Quebec, Canada. Data and information from the questionnaire were completed and validated by site visits and interviews with log yard managers. The results confirmed the need for a design guide in the practical environment and demonstrated the heterogeneity in operational conditions of log yards. An analysis of the obtained data allowed us to identify the crucial inhibitors of their management and operations (seasonality of wood supply, shape of the yard and unpaved surface). In the second part of the thesis, the survey data was used to compare the technical efficiency of log yards and their operations. Data Envelopment Analysis (DEA) was used to identify the sources of log yard inefficiency using the surface area, the number of machines and the number of employees as inputs, and the annual volume as outputs of the model. The average technical efficiency of the log yards is 62 % under constant returns to scale and 81 % under variable returns to scale. The overall inefficiency of the yards can be associated with the scale inefficiency (23 %) and the resource consumption (19 %). The efficiency scores were compared to the operational context of the yard represented by the number of sorts, the shape of the yard and the seasonality of log supply. This analysis allowed us to identify two practices that had the most influence on yard performance (old equipment and unpaved surface). Finally, in the third part of the thesis, an approach is proposed to take into account the seasonality of forest supply in the log yard design procedure. This approach completes the static design method developed by Hampton in the 1980s. The enhancement allows the design of the yard to be adapted to seasonal supply conditions by determining the operating seasons and integrating flexible design decisions (additional capacity, additional resources, and flexible resources). The process of evaluating the performance of the proposed scenarios was also enhanced by the application of discrete event simulation. The method is demonstrated using the case of an existing log yard in Quebec, Canada.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 février 2024) / Les activités minières étant appelées à se développer à de plus en plus grande profondeur, l'intensité des réponses sismiques aux sautages de segments de galerie de développement devrait augmenter et conséquemment présenter un aléa plus important. Cette sismicité induite représente divers risques sismiques qui pourraient affecter la sécurité du personnel minier, les opérations et la rentabilité de la mine. Les réponses sismiques sont d'intensité variable et leurs facteurs d'influence ne sont pas bien compris. Habituellement, la gestion de l'aléa sismique aux réponses sismiques aux sautages de développement est liée à des règles conservatrices de type règles générales. Ces règles sont parfois ajustées selon l'expérience du personnel de la mine, non quantifiable et difficile à transmettre, ou l'historique sismique. Ces règles n'intègrent pas ou peu les connaissances de terrain. Cette thèse présente une méthodologie pour intégrer quantitativement l'influence de propriétés géologiques, structurales et mécaniques du massif rocheux dans la compréhension et l'anticipation des risques sismiques associés aux sautages de développement de galerie. La méthodologie développée est adaptable à différents contextes et peut être mise à jour par la considération de variables supplémentaires, selon les données disponibles et les conditions du site minier. Cela est possible par la quantification systématique de caractéristiques structurales, géologiques et liées au massif rocheux à chaque segment de galerie de développement. Pour démontrer l'applicabilité de la méthodologie développée, des sautages de développement de la mine LaRonde ont été étudiés. Ces sautages couvrent trois niveaux à 3 km de profondeur et pour une période s'étendant sur 17 mois. La réponse sismique au sautage de 379 segments de galerie de développement a été délimitée et quantifiée. L'acceptabilité des données collectées géologiques, structurales et liées au massif rocheux a été établie pour interpréter 32 variables pour chaque segment de galerie. Puis, des analyses statistiques bivariées et multivariées ont permis de quantifier l'influence des variables géologiques et structurales définies sur les réponses sismiques. Une approche par analyses factorielles de données mixtes (AFDM) a permis une évaluation quantitative de l'impact des variables géologiques et structurales sur les réponses sismiques, ce qui était auparavant difficile à obtenir. Cela permet de mieux évaluer le risque et planifier en conséquence. Cela peut être inestimable pour les opérations minières lors du développement minier dans une zone sismiquement active, qui demande une planification importance à court et à long terme. Les résultats d'AFDM ont montré, pour le secteur à l'étude, que quatorze variables géologiques et structurales, interprétées à chaque segment de galerie influencent significativement l'intensité des réponses sismiques au sautage de développement. Des modèles prédictifs ont été développés afin d'améliorer la compréhension et l'anticipation de la variation de l'intensité des réponses sismiques au sautage de développement. Des modèles d'analyses statistiques multivariées prédictifs d'arbre de régression d'inférence conditionnelle et de forêts aléatoires ont été développés avec 75 % des 379 segments de galeries. Les 100 segments restants ont été utilisés pour valider la performance des modèles. La stratégie d'utilisation des modèles prédictifs de forêts aléatoires proposée fournit des données quantitatives sur la variabilité des aléas sismiques associés au sautage de développement sur lesquelles les gestionnaires peuvent se baser. Les modèles prédictifs développés peuvent être utilisés pour comprendre, gérer et communiquer l'aléa sismique lié au sautage des segments de galerie de développement. Ils fournissent une évaluation quantitative de l'aléa sismique permettant aux décideurs de sélectionner des seuils de critères de performance jugés acceptables, selon leur tolérance au risque. La combinaison de l'approche proposée avec les protocoles sismiques actuels utilisés sur différents sites miniers permet d'améliorer la gestion du risque sismique associé au sautage de développement. En effet, l'utilisation du modèle prédictif pour le secteur et la période étudiés a permis d'augmenter l'exactitude, la sensibilité et la précision pour anticiper une réponse sismique d'intensité élevée à un sautage de développement. / As mining activities are expected to develop at greater depth, the intensity of seismic responses to blasting of development drift should increase and consequently present a greater hazard. This induced seismicity represents various seismic hazards that could affect the safety of mining personnel, operations, and mines' profitability. Seismic responses intensity varies and the influencing factors causing that variability are not well understood. Usually, the management of seismic hazard to seismic responses to development blasting is linked to conservative blanket rules. These rules are sometimes adjusted according to the experience of mine personnel, which is unquantifiable and difficult to communicate, or the seismic history. These rules do not consider field knowledge or at a minimum. This thesis presents a methodology to quantitatively integrate the influence of the rock mass's geological, structural, and mechanical properties in understanding and anticipating seismic risks associated with development blasting. The developed methodology is adaptable to different contexts and can be updated to consider additional variables, depending on available data and mining site conditions. This is possible by the systematic quantification of structural, geological, and rock mass-related characteristics at each segment of development drift. To demonstrate the applicability of the developed methodology, development blasts from the LaRonde mine were studied. These blasts cover three levels at a depth of 3 km and for a 17 months-period. The seismic response to the blasting of 379 segments of development drift was delineated and quantified. The collected geological, structural, and rock mass data acceptability was established to interpret 32 variables for each drift segment. Then, bivariate, and multivariate statistical analyzes made it possible to quantify the influence of the defined geological and structural variables on the seismic responses. A factor analysis of mixed data (FAMD) approach allowed a quantitative assessment of the impact of geological and structural variables on seismic responses, which was previously difficult to obtain. This allows to better assess risk and plan accordingly. This is invaluable to mining operations when mining in a seismically active area, which requires significant short- and long-term planning. For the studied sector, the FAMD results showed that 14 geological and structural variables, interpreted at each drift segment, significantly influence the intensity of seismic responses to development blasting. Predictive models have been developed to improve the understanding and anticipation of variations in the intensity of seismic responses to development blasting. Predictive multivariate statistical analysis models of conditional inference regression trees and random forests were developed with 75% of the 379 drift segments. The remaining 100 segments were used to validate the performance of the models. The proposed strategy for using predictive random forest models provides quantitative data on the variability of seismic hazards associated with development blasting that managers can rely on. The developed predictive models can be used to understand, manage, and communicate the seismic hazards associated with development blasting. They provide a quantitative seismic hazard assessment, allowing decision-makers to select acceptable performance criteria thresholds, according to their risk tolerance. Combining the proposed approach with current seismic protocols used on different mining sites makes it possible to improve seismic risk management associated with development blasting. Indeed, the use of the predictive model for the sector and period studied made it possible to increase the accuracy, sensitivity, and precision to anticipate a high-intensity seismic response to a development blast.