L'impression par transfert, une technique utilisée pour transférer divers matériaux tels que des molécules d'ADN, de la résine photosensible ou des nanofils semi-conducteurs, s'est dernièrement révélée utile pour la réalisation de structures de silicium statiques sous le nom de micro-maçonnerie. L'étude présentée ici explore le potentiel de la technique de micro-maçonnerie pour la fabrication de résonateurs MEMS. Dans ce but, des microplaques de silicium ont été transférées sur des couches d'oxyde avec cavités intégrées à l'aide de timbres de polymère afin de créer des structures de type plaques suspendues. Le comportement dynamique de ces structures passives a été étudié sous pression atmosphérique et sous vide en utilisant une excitation externe par pastille piézo-électrique mais aussi le bruit thermomécanique. Par la suite, des résonateurs MEMS actifs, à actionnement électrostatique et détection capacitive intégrés, ont été fabriqués en utilisant des étapes supplémentaires de fabrication après impression. Ces dispositifs ont été caractérisés sous pression atmosphérique. Les facteurs de qualité intrinsèques des dispositifs fabriqués ont été évalués à 3000, ce qui est suffisant pour les applications de mesure à pression atmosphérique et en milieu liquide. Nous avons démontré que, puisque l'adhérence entre la plaque et l'oxyde est suffisamment forte pour empêcher une diaphonie mécanique entre les différentes cavités d'une même base, plusieurs résonateurs peuvent être facilement réalisés en une seule étape d'impression. Ce travail de thèse montre que la micro-maçonnerie est une technique simple et efficace pour la réalisation de résonateurs MEMS actifs de type plaque à cavité scellée. / Lately, transfer printing, a technique that is used to transfer diverse materials such as DNA molecules, photoresist, or semiconductor nanowires, has been proven useful for the fabrication of various static silicon structures under the name micro-masonry. The present study explores the suitability of the micro-masonry technique to fabricate MEMS resonators. To this aim, silicon microplates were transfer-printed by microtip polymer stamps onto dedicated oxide bases with integrated cavities in order to create suspended plate structures. The dynamic behavior of fabricated passive structures was studied under atmospheric pressure and vacuum using both external piezo-actuation and thermomechanical noise. Then, active MEMS resonators with integrated electrostatic actuation and capacitive sensing were fabricated using additional post-processing steps. These devices were fully characterized under atmospheric pressure. The intrinsic Q factor of fabricated devices is in the range of 3000, which is sufficient for practical sensing applications in atmospheric pressure and liquid. We have demonstrated that since the bonding between the plate and the device is rigid enough to prevent mechanical crosstalk between different cavities in the same base, multiple resonators can be conveniently realized in a single printing step. This thesis work shows that micro-masonry is a powerful technique for the simple fabrication of sealed MEMS plate resonators.

Un système hybride multi-source est étudié dans cette thèse pour la génération dispersée basée sur des sources d'énergie renouvelable et des systèmes de stockage d'énergie. Il comprend un générateur éolien comme source d'énergie primaire, des super-condensateurs comme système de stockage à dynamique rapide, des piles à combustible et des électrolyseurs comme système de stockage sur le long terme sous forme d'hydrogène. Ils sont tous connectés à un bus continu commun et un onduleur est utilisé pour la connexion du système entier au réseau. Dans ce mémoire, nous avons présenté la modélisation du système, la conception du contrôle y compris des stratégies de répartition des flux de puissance et la gestion énergétique. Cette centrale hybride peut finalement générer des puissances lissées et contrôlables comme la plupart des générateurs classiques. Les performances ont été testées en simulation numérique et aussi sur un prototype expérimental. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont les suivantes : l'utilisation et l'adaptation des formalismes pour la modélisation des systèmes complexes et la conception de leur commande ; la conception et la réalisation expérimentale des émulateurs pour réduire le temps et le cout du développement du prototype expérimental ; la proposition et la validation de deux stratégies de gestion des puissances pour la régulation du bus continu et le contrôle des puissances transitées au réseau et enfin la proposition des stratégies de supervision énergétique avec la définition des modes de fonctionnement pour le générateur actif éolien afin d'assurer une disponibilité énergétique

UN ONDULEUR MULTICELLULAIRE SERIE (STRUCTURE MEYNARD-FOCH) EST UTILISE POUR LES APPLICATIONS HAUTE TENSION ET PERMET L'AMELIORATION DES FORMES D'ONDE DE LA TENSION DE SORTIE, TOUT EN CONSERVANT UNE BONNE REPARTITION DES CONTRAINTES DE COMMUTATEUR. LA STABILITE DU SYSTEME SOUMIS A UNE COMMANDE PERIODIQUE EST ETUDIEE, EN PARTICULIER L'ENSEMBLE DES SINGULARITES LIEES A LA COMMANDE MLI SYMETRIQUE EST EXHIBE DANS LE CAS TRIPHASE. LA COMMANDE A POUR OBJET DE REGULER LES TENSIONS DE CONDENSATEUR DE LA STRUCTURE TOUT EN RESPECTANT UN PROFIL IMPOSE DE TENSION DE SORTIE. LA COMMANDE PROPOSEE PERMET D'OBTENIR SIMULTANEMENT UNE DYNAMIQUE RAPIDE (COMPARABLE A CELLE DES MODES GLISSANTS) ET UN CONTENU HARMONIQUE INTERESSANT TOUT EN RESPECTANT LES CONTRAINTES DE COMMUTATION. CETTE COMMANDE ACTIVE A FREQUENCE FIXE, EST BASEE SUR UNE EXPLOITATION DES CONFIGURATIONS EQUIVALENTES DU POINT DE VUE DE LA TENSION DE SORTIE. UNE COMMANDE PERIODIQUE PASSIVE EST EGALEMENT PRESENTEE. CES DEUX COMMANDES S'APPLIQUENT A UN NOMBRE QUELCONQUE DE CELLULES. LA MISE EN UVRE DES COMMANDES ACTIVES NECESSITE L'OBSERVATION DES TENSIONS DE CONDENSATEUR. DEUX CAS SONT TRAITES SELON QUE LES MESURES DE TENSION OU DE COURANT SONT DISPONIBLES. POUR FINIR, LE TOUT EST VALIDE EN SIMULATION PAR LA COMMANDE MULTINIVEAUX D'UN MOTEUR ASYNCHRONE. L'ASPECT TEMPS REEL A ETE UN SOUCIS PERMANENT.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l'IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence.

Les condensateurs multicouches en céramique (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCCs) sont des composants passifs clés de l'électronique moderne. Les MLCCs sont constitués d'une alternance d'électrodes métalliques et de couches diélectriques de céramique. Les puces ultraminces sont composées de mélanges de couches micrométriques métalliques et céramiques et d'additifs de céramique de taille nano. Un certain nombre de défauts tels que des fissures, des délaminations des couches et des discontinuités au sein de l'électrode, peuvent survenir dans la fabrication de ces MLCCs ultraminces. Un dispositif expérimental à rayons X (TXM, Transmission X-ray Microscope) avec une résolution spatiale de 30 nm au synchrotron APS (Advanced Photon Source, USA) a été utilisé pour caractériser un volume cylindrique représentatif de Ø 20 µm × 20 µm extrait d'une puce 0603 (1,6 mm × 0,8 mm) au nickel (Ni) + titanate de baryum (BaTiO3, ou BT) avant et après frittage sous argon hydrogéné (2%). La tomographie 3D de la microstructure montre que les discontinuités de l'électrode finale sont liées à des hétérogénéités initiales dans les couches d'électrodes. La radiographie in-situ aux rayons X pendant le frittage (vitesse de chauffage de 10 °C/mn, température de maintien à 1200 °C pendant 1 heure, puis refroidissement à 15 oC/min) d'un volume représentatif d'électrode au palladium (+ baryum-néodyme-titanate) confirme bien que les discontinuités dans l'électrode proviennent de l'hétérogénéité initiale de la poudre, qui est lié à la nature du compactage d'un matériau particulaire. La discontinuité se produit à l'étape précoce du cycle de frittage. A ce stade, l'électrode métallique commence à fritter tandis que le matériau diélectrique peut être considéré comme un substrat inerte qui contraint le frittage de l'électrode.Des études corrélatives utilisant un FIB-SEM (Focused Ion Beam Scanning Electron-microscopie) en tomographie à haute résolution (5 × 5 × 5 nm3) ont été effectuées sur des échantillons MLCC à vert et frittés. Elles confirment que la résolution de la nanotomographie X est suffisante pour étudier l'évolution des hétérogénéités. Cependant la tomographie par FIB permet à la nanotomographie X d'être réinterprétée avec plus de précision. D'autre part, le FIB fournit les paramètres des particules pour les simulations DEM.La méthode des éléments discrets (DEM) a été utilisée pour simuler la microstructure du système multicouche lors du frittage. Tout d'abord, le frittage de la matrice de nickel avec inclusions BT a été simulé en utilisant le code dp3D. Nous avons pu montrer que la vitesse de densification de la matrice diminue avec l'augmentation la fraction volumique d'inclusions et avec la diminution de la taille des inclusions. Pour une fraction volumique donnée, et une taille d'inclusions donnée, une meilleure dispersion des inclusions conduit à un retard plus marqué de la densification du frittage de la matrice de nickel.Le co-frittage de multicouches de BT/Ni/BT a été simulé en tenant compte des informations collectées à partir de la tomographie FIB-SEM à résolution élevée (taille des particules, distribution de taille, hétérogénéités, et pores). On constate que les discontinuités d'électrodes proviennent des hétérogénéités initiales dans le comprimé à vert et se forment au début de frittage sous contrainte. Ces résultats de simulation sont en bonne correspondance avec les observations expérimentales. Une étude paramétrique indique que les discontinuités d'électrodes peuvent être minimisées par l'homogénéisation de la compacité, par l'augmentation de l'épaisseur des électrodes et par l'utilisation d'un chauffage rapide.A partir des résultats expérimentaux et des simulations DEM, une conclusion générale peut être avancée: la discontinuité finale provient de l'hétérogénéité initiale dans les couches d'électrodes et survient à un stade précoce de frittage lorsque les couches diélectriques contraignent les couches d'électrodes

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

Les moteurs asynchrones diphasés sont largement utilisés dans des applications de moins d’un kW, où le prix est un facteur important de choix, en particulier pour les volets roulants. Ces applications, pour des raisons de sécurité, nécessitent une détection précoce des obstacles et donc l’implantation d’un capteur de vitesse. Dans un souci de réduction de coût, une des pistes intéressantes est l’estimation de la vitesse à partir de la mesure des courants et des tensions, de manière à faire l’économie du capteur de vitesse. La première partie de notre travail a consisté à étudier et réaliser différentes alimentations : sur le secteur avec condensateur de déphasage ou par convertisseur statique. Dans une seconde partie, la modélisation du moteur en régime permanent et transitoire et celle du volet (tablier, frein, réducteur) nous a permis d’établir les caractéristiques électromagnétiques du motoréducteur et le comportement mécanique de la charge. Les paramètres de ces modèles ont été identifiés et les résultats analysés. Dans la troisième partie, à partir de ces modèles, différentes stratégies de détection de fin de course du volet sans capteur, d’arrêt sur obstacles ainsi qu’une commande de limitation de couple ont été mises au point et validées expérimentalement. Une carte électronique économique a été réalisée. / The single-phase induction motor is widely used for capacity of less than the kW in applications where the price is an important consideration, particularly for rolling shutters. For safety reasons, these applications require an early detection of obstacles and thus it is necessary to implement a speed sensor. In a preoccupation of cost saving, one tries to estimate the speed on the basis of voltage and current measurements, in order to economize on the speed sensor. The first part of our work deals with the study and realization of different power supplies : Capacitor-run single-phase induction motor or static converter supply. In a second part, the static and transient modeling of the motor and the rolling shutter (shutter, gears and brake) has provided the electromagnetic characteristics of the geared motor and the mechanical behavior of the load. The parameters of these models have been identified and the results have been discussed. In the third part, from these models, different strategies have been devised and validated for detecting the arrival of a rolling shutter on the abutment, implementing a soft stop on obstacles and limiting the torque. A low cost electronic command board has been realized.

L’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction. / The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain.

Ce travail de thèse, qui se rattache au domaine des composants télécom, concerne l’étude de composants passifs élémentaires constitués de lignes de transmission coplanaires alliant ferrite et métamatériaux. Ces composants sont susceptibles de réaliser de nouvelles fonctions en électronique des hautes fréquences en combinant plusieurs phénomènes comme ceux de non réciprocité, des comportements main droite – main gauche et l’agilité en fréquence. Les applications visées portent sur un grand champ de composants microondes comme des antennes, des isolateurs, déphaseurs, coupleurs, filtres - agiles et performants. La modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces composants ont été effectuées dans le cadre d’une collaboration entre l’INL et le LT2C. Les outils mis en œuvre dans ce travail comprennent la réalisation de ces composants en salle blanche, leur caractérisation en hyperfréquences (en général jusqu’à 20 GHz), leur simulation par un logiciel commercial de simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que le développement de techniques d’extraction de paramètres (Matlab). La mise en œuvre de ces outils a permis d’appréhender le comportement de ces lignes en termes de constante de propagation et de diagramme de dispersion. Sur le plan pratique, des composants inductifs et/ou capacitifs (capacités à fente ou interdigitées) ont été intégrés à des lignes de transmission coplanaires sur 2 types de substrats. Le premier substrat, diélectrique (Al203), sert de référence, tandis que le second est ferrimagnétique (YIG ou Y3Fe5O12) et présente un effet de non-réciprocité de la propagation du signal dans la configuration retenue. Sur alumine, les valeurs des capacités et des inductances intégrées atteignent 80 fF et 400 pH respectivement. Sur YIG, à partir d’études paramétriques originales sur différentes topologies de structures de test, les effets de non réciprocité attendus ainsi que les phénomènes de résonance gyromagnétique ont bien été mis en évidence. La simulation électromagnétique des structures est validée par un accord correct entre simulations et mesures. Il ressort de cette étude que la non réciprocité d’une ligne sur YIG chargée par des inductances parallèles peut être améliorée jusqu’à 15 dB environ par rapport à une simple ligne coplanaire sur YIG pour certaines bandes de fréquences. Enfin l’agilité en fréquence de la structure de bande des lignes CRLH est établie. Ces travaux ouvrent de très intéressantes perspectives pour le développement de nouveaux composants microondes et sont susceptibles de constituer un socle solide pour une suite des activités dans cette thématique. / In this thesis we studied some passive components based on metamaterials. Our goal was to assess the physical properties of CRLH lines combined with a ferrite substrate. When the CRLH TLs are integrated with ferrite substrate, new properties based on the “CRLH” structure and nonreciprocity of ferrite can be obtained. Samples were processed on dielectric substrate (alumina) as well as on YIG substrate, according to fabrication steps which are described in this work. These samples have been characterized, in particular for the YIG substrate, with and without a magnetic polarization field. 3D Finite element simulation was used to get the scattering parameters. Lastly, dispersion diagrams were extracted from both measured and simulated data.We can get nonreciprocity by modeling the ferrite substrate, and “left-handed” property by modeling the structure of CRLH. The first chapter of this manuscript focus on theories of microwave transmission lines, coplanar waveguides, magnetic materials and metamaterials. In the second chapter, we designed and implemented conventional CPW components as well as stand-alone capacitors and inductors on alumina substrate. We completed the fabrication process in NANOLYON. Then the simulations in software COMSOL, and the analytical modelling approaches in Matlab are presented. The measured, simulated and analytical S parameters are given, the corresponding propagation constants of CPW, the extracted values of capacitance and inductance are given and discussed. The CPW components on ferrite are introduced in the third chapter. Firstly, different kinds of ferrite and the fabrication of components are presented. Then the modelling of permeability of ferrite material is detailed, and implemented in the 3D finite element simulation. The nonreciprocity is studied using CPW components based on ferrite BaM and YIG. For CPW on ferrite substrate, the measured and simulated S parameters, as well as propagation constant are given. In chapter four, the modelling of CRLH transmission line and the CRLH transmission line theory were presented. Examples of balanced and unbalanced CRLH TL are presented and the dispersion diagram is given. Then a parametric study of the components realized on alumina and on YIG has been driven. The geometric parameters were the left-handed inductances, left-handed capacitances and the length of the CPW separating them (CPW2). Both experimental and simulated scattering parameters are shown and the corresponding propagation constants are given. That enables to identify the different frequency bands: left-handed band, right-handed band and bandgap. Moreover, we establish that the band structure of these components can be tuned with the magnetic applied field.

Le développement industriel de la technologie FeRAM (assurant non volatilité, accès rapide et faible consommation) est aujourd'hui limité par la fiabilité du condensateur ferroélectrique intégré. Le travail de thèse, axé sur la compréhension de ses modes de défaillance, a consisté à associer des analyses électriques et microstructurales sur des condensateurs élémentaires, des véhicules de test et des composants. La dégradation des propriétés ferroélectriques de condensateurs élémentaires, sous stresses électriques, a été corrélée à leurs évolutions microstructurales. L'irradiation X s'est également avérée un facteur accélérateur de cette dégradation. Sur les objets technologiques avancés, les techniques synchrotron et la microscopie électronique, associées aux tests de fiabilité, ont permis de corréler les modes de défaillance à la nature du condensateur, à sa géométrie (planaire ou 3D) et aux étapes technologiques utilisées.