Dans ce mémoire, on traite des méthodes et d'outils d'évaluation de la fiabilité des systèmes mécanique. La fiabilité dans ce contexte est définie comme étant la probabilité que la résistance soit supérieure à la sollicitation que le système subit. On considère que la résistance est aléatoire et que l'occurrence et l'intensité de la sollicitation sont aléatoires. Les outils d'analyse et d'évaluation de la fiabilité, retenus dans ce travail, permettent d'évaluer et d'optimiser les performances d'un système existant ou d'intégrer le caractère aléatoire de sollicitation et de la résistance, en phase de conception. Des exemples d'applications issus des domaines du génie mécanique et de la sécurité des structures sont rapportés dans ce mémoire pour illustrer les différents concepts théoriques. Le contenu de ce mémoire a été conçu et structuré de manière à servir de document de référence pour la conception et l'exploitation de systèmes assujettis à des sollicitations dont l'intensité et l'occurrence sont aléatoires et dont la résistance se dégrade, aléatoirement également, selon l'âge et l'usage du système.

L'intégration de diverses technologies, notamment celles de l'informatique et l'électronique, fait que les systèmes conçus de nos jours sont de plus en plus complexes. Ils ont des comportements plus élaborés et plus difficiles à prévoir, ont un nombre de constituants en interaction plus important et/ou réalisent des fonctions de plus haut niveau. Parallèlement à cette complexification des systèmes, la compétitivité du marché mondial impose aux développeurs de systèmes des contraintes de coût et de délais de plus en plus strictes. La même course s'opère concernant la qualité des systèmes, notamment lorsque ceux-ci mettent en jeu un risque en vies humaines ou un risque financier important. Ainsi, les développeurs sont contraints d'adopter une approche de conception rigoureuse pour répondre aux exigences du système souhaité et satisfaire les diverses contraintes (coût, délais, qualité, sûreté de fonctionnement,...). Plusieurs démarches méthodologiques visant à guider la conception de système sont définies par l'intermédiaire de normes d'Ingénierie Système. Notre travail s'appuie sur la norme EIA-632, qui est largement employée, en particulier dans les domaines aéronautique et militaire. Il consiste à améliorer les processus d'ingénierie système décrits par l'EIA-632, afin d'intégrer une prise en compte globale et explicite de la sûreté de fonctionnement. En effet, jusqu'à présent la sûreté de fonctionnement était obtenue par la réutilisation de modèles génériques après avoir étudié et développé chaque fonction indépendamment. Il n'y avait donc pas de prise en compte spécifique des risques liés à l'intégration de plusieurs technologies. Pour cette raison, nous proposons de nous intéresser aux exigences de Sûreté de Fonctionnement au niveau global et le plus tôt possible dans la phase de développement, pour ensuite les décliner aux niveaux inférieurs, ceci en s'appuyant sur les processus de la norme EIA-632 que nous étoffons. Nous proposons également une méthode original e de déclinaison d'exigences de sûreté de fonctionnement à base d'arbres de défaillances et d'AMDEC, ainsi qu'un modèle d'information basé sur SysML pour appuyer notre approche. Un exemple issu du monde aéronautique permet d'illustrer nos propositions.

La diminution des dimensions critiques dans l’industrie du semi-conducteur requiert l’utilisation de nouveaux matériaux fragiles qui dégradent la résistance mécanique des puces. On s’intéresse plus particulièrement aux étapes précédant la mise en boîtier, à savoir les tests paramétriques qui permettent de vérifier la fonctionnalité électrique de la puce, et les assemblages tels la connexion filaire qui ont pour but d’établir les connexions avec le boîtier. Durant ces opérations, des défaillances mécaniques sont observées dans les interconnexions situées sous le pad. Des techniques expérimentales (par ex : FIB/MEB) sont mises en œuvre une fois les tests ou les assemblages avec des fils d’or et de cuivre réalisés afin de mieux comprendre les raisons d’apparition de ces défaillances ainsi que leur localisation. Des plans d’expériences sont mis en place pour évaluer l’influence des divers paramètres de tests et d’assemblage et également celle des architectures de pad. En parallèle, une nouvelle méthode d’analyse basée sur la nanoindentation est utilisée pour comparer la robustesse mécanique de divers plots de connexion. D’autre part, plusieurs modèles éléments finis complexes, prenant en compte la gestion du contact entre la pointe de test et le pad ainsi que les effets inertiels associés, sont développés dans le but de reproduire les conditions de chargement sur les pads. Finalement, un ensemble d’outils adaptés à l’étude et l’optimisation des architectures de pad, dans une optique industrielle, est présenté de même que des règles de dessin permettant d’accompagner le développement technologique. / The diminution of the critical dimensions in the semiconductor industry and the introduction of new brittle dielectric materials raise questions on the mechanical resistance of the die and the pad architectures. Nowadays, pad structures are prone to crack. More precisely, the electrical wafer sort (EWS), which allows checking the electrical functionality of the die, and the assemblies such as the wire bonding to achieve the electrical connections with the packaging, are performed at the wafer level and introduce high levels of local mechanical stresses. Indeed, during these operations, failures in the oxide layers of the interconnections are observed. Experimental techniques (e.g. profilometry, FIB/SEM) are developed after EWS and bonding with gold and copper wires to gain insight on the root causes and localization of the failures. Some designs of experiments are set up to evaluate the influence of the test and process parameters and also of the various pad designs on the mechanical robustness of the structures. In addition, a novel analysis procedure, based on nanoindentation technique, is employed to compare various pads, which are complex multilayer systems. Moreover, several finite element models, using both explicit and implicit schemes are developed to mimic the EWS test. Indeed, these models have shown their ability to reproduce the loading conditions, the contact between the testing needle tip and the pad, and some inertial effect during the test. Finally, a comprehensive set of tools to evaluate and optimize the pad architectures is presented. Guidelines for pad layouts are also given, providing integration insights in the frame of the technology development.

De nos jours, les mémoires embarquées sont les composants les plus denses dans les "System-On-Chips" (SOCs), représentant actuellement plus que 90% de leur superficie totale. Parmi les différents types de mémoires, les SRAMs sont très largement utilisées dans la conception des SOCs, particulièrement en raison de leur haute performance et haute densité d'intégration. En revanche, les SRAMs conçues en utilisant des technologies submicroniques sont devenus les principaux contributeurs de la consommation d'énergie globale des SOCs. Par conséquent, un effort élevé est actuellement consacré à la conception des SRAMs à faible consommation. En plus, en raison de leur structure dense, les SRAMs sont devenus de plus en plus susceptibles aux défauts physiques comparativement aux autres blocs du circuit, notamment dans les technologies les plus récentes. Par conséquent, les SRAMs se posent actuellement comme le principal détracteur du rendement des SOCs, ce qui cause la nécessité de développer des solutions de test efficaces ciblant ces dispositifs.Dans cette thèse, des simulations électriques ont été réalisées pour prédire les comportements fautifs causés par des défauts réalistes affectant les blocs de circuits spécifiques aux technologies SRAM faible consommation. Selon les comportements fautifs identifiés, différents tests fonctionnels, ainsi que des solutions de tests matériels, ont été proposés pour détecter les défauts étudiés. Par ailleurs, ce travail démontre que les circuits d'écriture et lecture, couramment incorporés dans les SRAMs faible consommation, peuvent être réutilisés pour augmenter le stress dans les SRAMs lors du test, ce qui permet d'améliorer la détection des défauts affectant la mémoire. / Nowadays, embedded memories are the densest components within System-On-Chips (SOCs), accounting for more than 90% of the overall SOC area. Among different types of memories, SRAMs are still widely used for realizing complex SOCs, especially because they allow high access performance, high density and fast integration in CMOS designs. On the other hand, high density SRAMs designed with deep-submicrometer technologies have become the main contributor to the overall SOC power consumption. Hence, there is an increasing need to design low-power SRAMs, which embed mechanisms to reduce their power consumption. Moreover, due to their dense structure, SRAMs are more are more prone to defects compared to other circuit blocks, especially in recent technologies. Hence, SRAMs are arising as the main SOC yield detractor, which raises the need to develop efficient test solutions targeting such devices.In this thesis, failure analysis based on electrical simulations has been exploited to predict faulty behaviors caused by realistic defects affecting circuit blocks that are specific to low-power SRAMs, such as power gating mechanisms and voltage regulation systems. Based on identified faulty behaviors, efficient March tests and low area overhead design for testability schemes have been proposed to detect studied defects. Moreover, the reuse of read and write assist circuits, which are commonly embedded in low-power SRAMs, has been evaluated as an alternative to increase stress in the SRAM during test phase and then improve the defect coverage.

Dans les avions et lanceurs, des systèmes entraînés par l’énergie hydraulique, mécanique ou pneumatique sont progressivement remplacés par des systèmes électriques pour des raisons techniques et industrielles. Cependant, ces nouveaux systèmes doivent répondre aux contraintes économiques et de poids concernant ces domaines tout en garantissant une certaine fiabilité. Dans ce contexte industriel, des topologies innovantes multi-machines multi-convertisseurs à haut niveau de fiabilité sont comparées ici à des structures plus standards toujours tolérantes aux défaillances. Ainsi, des topologies avec des machines polyphasées couplées électriquement en série ont été choisies pour ce travail de thèse. La mise en série permet la mutualisation des bras d’onduleurs, réduisant ainsi leur nombre, et augmente la résistance totale du système. La valeur crête du courant est alors réduite lors de l’apparition de certains défauts avec, comme contrepartie, une augmentation inéluctables des pertes Joule globales. Pour que le contrôle de ces machines couplées électriquement en série soit indépendant, il est mis en évidence pourquoi le nombre de phase de ces machines doit être supérieur à 3 et avec de plus une connexion électrique spéciale permutant les phases. Une nouvelle topologie brevetée est tout particulièrement étudiée et testée expérimentalement. Apres validation du concept, des stratégies de contrôle plus complexes et des reconfigurations de la commande après le défaut sont appliquées afin de juger des potentialités d’amélioration des systèmes Pour les comparaisons, des simulations et des essais expérimentaux ont été réalisés. Les critères choisis pour cette comparaison ont été la puissance de dimensionnement de l’onduleur, servant d’image de son coût et de son poids, les pertes Joule et le couple pulsatoire, tous les trois pour un fonctionnement en mode dégradé. / In airplanes and launch vehicles, hydraulics, mechanical and pneumatic systems are progressively being replaced by electric systems for technical and industrial reasons. However, these new electric systems have to take into account the economical and weight reliability constraints of the aeronautics industry, ensuring the required reliability. Therefore, novel high reliability multi-machine and multi-converter topologies are compared to standard structures looking forward to find solutions that can be industrially implemented. Then, series-coupled machine topologies were chosen for this work. The series-coupling mutualizes the inverter legs, reducing their number, and increases the total electrical resistance of the system. As a consequence, the peak-current after the occurrence of certain faults is reduced, but the total copper losses are higher. In order to independently control the series-coupled machines, it is highlighted the reason why the number of phases must be higher than 3 and with a special electric coupling that permutes the machine’s phases. A new patented topology is deeply analyzed with experimental tests. After a validation of the studied system, more complex control strategies and control reconfiguration after a fault are also implemented in order to evaluate the potential improvements on the system performance in degraded mode. Simulation and experimental results were used on this study. For this analysis the dimensioning power of the inverter, the copper losses and the torque ripple, all of them in degraded mode, are the compared criterions.

Cette thèse traite de la détection et de la localisation des défaillances à base de modèles comportementaux. L'approche suggérée consiste à extraire du modèle comportemental un sous-modèle découplé par rapport aux perturbations et par rapport à un sous-ensemble de défaillances et couplé par rapport au sous-ensemble complémentaire de défaillances. A l'aide de ce sous modèle, des indicateurs de défaillances structurés sont générés. Ces indicateurs possèdent intrinsèquement des propriétés de robustesse aux perturbations et à certaines défaillances et sont sensibles au reste des défaillances. Cette approche repose donc sur la décomposition du modèle comportemental du système en sous-modèles. Une méthodologie de décomposition est présentée pour traiter les modèles continus et les modèles événementiels de la même manière. Cette méthodologie de décomposition est formulée en utilisant des outils algébriques connus sous le nom d'algèbre des paires et d'algèbre des fonctions. Les deux algèbres sont présentées et leurs opérateurs sont détaillés et illustrés. Il est montré que la procédure de décomposition décrite pour les modèles continus en utilisant l'algèbre des fonctions est similaire à celle décrite pour les modèles événementiels en utilisant l'algèbre des paires. Une procédure de décomposition générale est ensuite proposée pour tous les modèles comportementaux déterministes.Les résultats théoriques sont illustrés par la décomposition des modèles comportementaux (continu et événementiel) du système à trois cuves, et par la synthèse d'un module de détection et de localisation de défaillances pour chaque cas traité.

L'incorporation des instruments intelligents dans les boucles de sécurité nous mène vers une sécurité intelligente et les systèmes deviennent des « systèmes instrumentés de sécurité à intelligence distribuée (SISID) ». La justification de l'usage de ces instruments dans les applications de sécurité n'est pas complètement avérée. L'évaluation de la sûreté de fonctionnement de ce type de systèmes n'est pas triviale. Dans ce travail, la modélisation et l'évaluation des performances relatives à la sûreté de fonctionnement des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) sont traitées pour des structures intégrant de l'intelligence dans les instruments de terrain. La méthodologie que nous utilisons consiste en la modélisation de l'aspect fonctionnel et dysfonctionnel de ces systèmes en adoptant le formalisme basé sur les réseaux de Petri stochastiques qui assurent la représentation du comportement dynamique de ce type de systèmes. La modélisation est traitée sous la forme d'une approche stochastique utilisant les réseaux d'activité stochastiques SAN (Stochastic Activity Network). L'introduction d'indicateurs de performances permet de mettre en évidence l'effet de l'intégration des niveaux d'intelligence dans les applications de sécurité. La méthode de Monte Carlo est utilisée pour évaluer les paramètres de sûreté de fonctionnement des SIS en conformité avec les normes de sécurité relatives aux systèmes instrumentés de sécurité (CEI 61508 et CEI 6151). Nous avons proposé une méthode et les outils associés pour approcher cette évaluation par simulation et ainsi apporter une aide à la conception des systèmes instrumentés de sécurité (SIS) intégrant quelques fonctionnalités des instruments intelligents.

La difficulté d'exprimer les propriétés formelles d'un contrôleur logique en vue de sa vérification est un des obstacles majeurs à la diffusion de ce type de techniques. L'objectif de cette thèse est donc de faciliter l'élaboration de ces propriétés formelles en proposant une méthode basée sur l'analyse prévisionnelle par Arbre des Défaillances (AdD). Ainsi, une propriété sera la non réalisation d'une faute. Quatre contributions sont alors développées pour mettre au point cette méthode : deux contributions de nature méthodologique et deux autres de nature formelle. Les contributions de la première catégorie sont, d'une part, l'intégration, dans la structure de l'AdD, des fautes du logiciel de commande du contrôleur logique (dites fautes systématiques car reproductibles) et, d'autre part, la représentation de ces fautes systématiques avec un vocabulaire de portes prenant en compte les temps logique et physique. Les deux contributions formelles proposent une sémantique formelle, en premier lieu, des portes adoptées dans le travail, et deuxièmement, d'associations de portes. Enfin, un exemple permet de montrer l'intérêt de ces quatre propositions pour l'amélioration de la sûreté des contrôleurs logiques.

Les travaux proposés dans cette thèse s'intéressent à la commande et la surveillance d'une classe particulière de systèmes de production : les systèmes manufacturiers à contraintes de temps de séjour. Nous supposons dans l'étude que les ressources ont déjà été affectées et que l'ordre des opérations est déjà fixé par le module de planification/ordonnancement. Les hypothèses de fonctionnement répétitif avec et sans postes d'assemblage sont adoptées. De manière assez classique pour ce type de problématique, le formalisme utilisé est celui des Réseaux de Petri P-temporels pour l'étude des instants de débuts et de fins des opérations.Une étude de la robustesse des ateliers manufacturiers à contraintes de temps a été développée. La robustesse est abordée avec et sans modification de la commande relative à la robustesse active et à la robustesse passive respectivement, face aux perturbations temporelles. Un algorithme de calcul d'une borne supérieure de la robustesse passive est présenté. De plus, trois stratégies de commande robuste face aux perturbations temporelles ont été développées.Par ailleurs, l'incertitude dans les systèmes de production manufacturière à été étudié. Notre contribution dans ce cadre porte sur l'intégration des résultats concernant la robustesse dans la génération de symptômes et la classification des comptes rendus associés aux différentes opérations en utilisant la logique floue.Partant d'un système commandé, nous avons présenté en détail une démarche à suivre pour la mise en œuvre d'un modèle de surveillance en se basant sur les chroniques et les arbres de défaillance flous. Cette démarche est appliquée à un atelier de production laitière

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une Convention Industrielle de Formation par la REcherche (CIFRE) ayant pour objectif la mise en place de solutions innovantes pour le diagnostic de défaillances. Il s’agit de répondre au besoin de la société Zodiac Actuation Systems afin de diagnostiquer les défaillances pouvant survenir sur leurs systèmes d’actionnement de sièges d’avion. Premièrement, le cadre ainsi que les motivations de l’étude sont exposés. Ensuite un état de l’art sur les méthodes de diagnostic de défaillances est donné. Puis la problématique de l’hybridation de ces méthodes est abordée. Ceci a permis d’adopter la méthode de classification supervisée pour le diagnostic. Ensuite, les campagnes de mesures, le processus de construction des bases de données ainsi que les différents algorithmes nécessaires pour la classification sont présentés. Une expérimentation sur la partie du dossier d’un siège d’avion est exposée et les résultats sont donnés. Afin d’améliorer les résultats obtenus, une approche de classification renforcée par des observateurs d’état est proposée et appliquée sur le dossier du siège. Ce renforcement est réalisé à l’aide des données estimées par les observateurs tout en construisant des bases de données augmentées. Trois types d’observateurs, linéaire, Takagi-Sugeno (TS) et TS à entrées inconnues (TSEI) sont employés. L’observateur TSEI apparait comme le mieux adapté à notre application. Finalement, une extension de l'approche proposée sur l’ensemble du siège d’avion est proposée. Celle-ci consiste en la mise en œuvre d’observateurs décentralisés TSEI pour chaque sous-ensemble du siège en tenant compte de leurs interconnexions. Ces derniers ont permis d’améliorer les résultats de détection de défaillances sur l’ensemble du siège d’avion. / This study was supported by Zodiac Actuation Systems within the framework of a ``CIFRE'' project which aims to design a Fault Detection and Diagnosis (FDD) approach for actuation systems of passengers seats in commercial aircrafts. First of all, the industrial context as well as the motivations of our project have been explained. Then, a state of the art on FDD methods is presented. Among them, hybridization of FDD methods can be found and seems interesting to our application. In a first step, the supervised classification method for the FDD has been considered. To do this, the process measurements and the concept of databases construction are presented. Then, different types of classification algorithms are explained. From experimental measurements, the classification results for FDD purpose on the recline of the seat are given. In a second step, an enhanced classification approach is proposed. It consists in estimating non-measurable variables by the state observers. These variables are then added, as estimated attributes, to the measured database. The aim is to enrich the knowledge used by the classifier and thus to improve the rate of FDD. Three types of state observers are considered: linear, then Takagi-Sugeno (TS) and Unknown Input Takagi-Sugeno (UITS) observers. It appears that the UITS observer-based results are more accurate for our application. Finally, the proposed FDD approach is extended to the hole of the seat by considering a decentralized approach. In this context, decentralized UITS are proposed for each segment of the seat by taking into account their interconnexions. It is shown that these decentralized observers improve the FDD results of the considered aircraft seat.