La problématique entourant la mise en oeuvre, la conception et le conditionnement de micro-capteurs au sein d'une application embarquée représente un enjeu industriel majeur, consiste en un vaste ensemble de défis techniques et touche à de nombreux champs de recherche scientifiques comme d'applications commerciales. Ce mémoire de thèse compile de manière pédagogique et détaillée la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d'un capteur MEMS constitué d'un simple micro-filament destiné à la mesure, mutuellement, de la température, de la pression et de l'humidité d'une ambiance gazeuse, en utilisant un même et mutuel étage de conditionnement du signal – ce qui en tant que tel constitue une méthode d'intégration particulièrement originale qui est arbitrairement référencée comme "intégration totale". Aussi, le principe physique sous jacent à ce triplet de mesurage est la diffusion par conduction de la chaleur, produite par effet Joule dans l'élément sensible, à travers l'échantillon gazeux l'environnant. Ainsi, le principe de fonctionnement consiste en ce que, la réponse transitoire d'un tel ensemble permet d'une part de mettre en évidence, simultanément et de manière diagonalisable, à une température donnée, l'influence de la pression et de l'humidité sur la conductivité thermique et la capacité calorifique du couple sonde/échantillon. D'autre part, l'élément sensible est spécifiquement prévu pour que dans les conditions initiales du régime transitoire de l'échauffement, sa résistance électrique ne soit sensible qu'à la seule température ambiante, indépendamment des deux mesurandes. / Integration of micro sensors within an embedded system is a challenging task in terms of commercial application and deals with many fields of research. This report compiles a novel methodology of multi-sensor integration, from the design to the experimental evaluation. The reported MEMS gas sensor is made from a resistive micro-wire. It is designed to the sensing of temperature, pressure and humidity of a gaseous sample, at the same time, in using only a single sensing part as well as a single conditioning principle – which is by itself a new feature arbitrarily called "total integration". The physical principle involved here is heat-diffusion, where heat is produced by Joule effect within the resistive sensing part, sinking through the gaseous sample. The key is that the transient response of such a sensor enables the reading of both the sample thermal conductivity and heat capacity, depending on both humidity and pressure at a given temperature, the later being only depending upon the initial response of the sensor transient response.

Les polymères (emballages alimentaires) sont susceptibles de sorber des substances toxiques (polluants pesticides, huile, etc ... ) avant et pendant leur collecte pour recyclage. La réutilisation et le recyclage de ces plastiques, en nouveaux emballages pour contact alimentaire, sont proposés pour réduire ces déchets, mais peuvent, après migration des polluants dans l'aliment, porter atteinte à la santé du consommateur. Le concept de barrière fonctionnelle a été proposé pour protéger l'aliment de la migration de polluants potentiels. Ce procédé consiste à insérer, dans un nouvel emballage, du polymère recyclé entre deux couches de matière vierge, qui décale dans le temps la migration (temps de latence).<br /><br />La modélisation de la diffusion et de la migration ont permis de prédire ce temps de latence et donc, la période pendant laquelle l'emballage sera sûr. L'analyse numérique autorise une modélisation complète de tous les phénomènes de transports dans les polymères :<br /><br />- diffusion au travers de la barrière fonctionnelle pendant la mise en œuvre des préformes en PET : le coefficient de diffusion est fonction de la température locale qui dépend du temps et de sa position dans l'épaisseur de la préforme (la diffusion de la température et de la matière sont calculées à partir des lois de Fourier et de Fick). Des paramètres cinétiques aux interfaces sont pris en compte dans les calculs.<br /><br />- diffusion / migration des substances modèles au cours du contact avec l'aliment : le coefficient de diffusion des substances modèles est fonction de la concentration locale de l'aliment dans le polymère.<br /><br />Les simulations sont comparées à des cas expérimentaux, incluant tous les types de contact possibles avec l'aliment, pour déterminer des diffusivités modèles. Pour cela, une liste de substances modèles couvrant la plupart des propriétés des substances chimiques (volatilité, polarité, solubilité dans l'eau, ... ) a été établie. Les diffusivités obtenues nous ont permis d'extrapoler et de surestimer les cinétiques de migration, quelle que soit la masse moléculaire des polluants potentiels, pour un contact direct avec l'aliment (bouteille monocouches et pour une migration au travers d'une barrière fonctionnelle (en PET ou dépôt plasma). Ces résultats participeront à l'élaboration de la législation européenne pour l'utilisation de PET recyclé en contact alimentaire.

Dans de nombreux réservoirs géothermiques profonds, l'échangeur thermique est un massif de roches chaudes fracturées. Comment la morphologie des fractures influence-t-elle le flux hydraulique et le champ de température lorsque de l'eau froide est injectée dans ce milieu ? Cette question est abordée à l'échelle de la fracture, de manière numérique, à l'aide de deux méthodes : par différences finies, en 2D, et par méthode de Boltzmann sur réseau, en 3D. Les calculs en différences finies montrent qu'une ouverture auto-affine induit une variabilité spatiale du flux hydraulique et du champ de température. Dans certains cas, il se crée une chenalisation du fluide, qui réduit l'efficacité du transfert thermique entre la roche et le fluide. Ces caractéristiques hydro-thermiques sont essentiellement engendrées par les plus grandes longueurs d'ondes de ces ouvertures auto-affines. Une première application à grande échelle, dimensionnée suivant les caractéristiques du site géothermique de Soultz-sous-Forêts (Alsace, France), est proposée. Une deuxième application consiste à évaluer la perméabilité du sous-sol de Draix (Alpes, France). Pour cela, la géométrie de fractures présentes dans le sous-sol est caractérisée précisément à partir de carottes géologiques. La topographie des fractures, mesurée avec un laser, est utilisée pour reconstituer la morphologie de l'ouverture des fractures. Ces données sont utilisées pour quantifier la perméabilité, ici élevée -- de l'ordre de 10^-9-10^-8 m^2. À l'aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, la modélisation du comportement hydro-thermique dans des fractures présentant une topographie avec de fortes pentes est abordée. Au voisinage d'une aspérité de forme simple, le comportement hydro-thermique modélisé est très différent (recirculation) de celui dans le reste de la fracture. L'ensemble de ces modélisations suggère qu'il est nécessaire de prendre en compte la morphologie des fractures pour estimer le comportement hydro-thermique en géothermie.

La problématique entourant la mise en oeuvre, la conception et le conditionnement de micro-capteurs au sein d'une application embarquée représente un enjeu industriel majeur, consiste en un vaste ensemble de défis techniques et touche à de nombreux champs de recherche scientifiques comme d'applications commerciales. Ce mémoire de thèse compile de manière pédagogique et détaillée la conception, la réalisation et l'évaluation expérimentale d'un capteur MEMS constitué d'un simple micro-filament destiné à la mesure, mutuellement, de la température, de la pression et de l'humidité d'une ambiance gazeuse, en utilisant un même et mutuel étage de conditionnement du signal - ce qui en tant que tel constitue une méthode d'intégration particulièrement originale qui est arbitrairement référencée comme "intégration totale". Aussi, le principe physique sous jacent à ce triplet de mesurage est la diffusion par conduction de la chaleur, produite par effet Joule dans l'élément sensible, à travers l'échantillon gazeux l'environnant. Ainsi, le principe de fonctionnement consiste en ce que, la réponse transitoire d'un tel ensemble permet d'une part de mettre en évidence, simultanément et de manière diagonalisable, à une température donnée, l'influence de la pression et de l'humidité sur la conductivité thermique et la capacité calorifique du couple sonde/échantillon. D'autre part, l'élément sensible est spécifiquement prévu pour que dans les conditions initiales du régime transitoire de l'échauffement, sa résistance électrique ne soit sensible qu'à la seule température ambiante, indépendamment des deux mesurandes.

L'ablation par radiofréquence (ARF) de tumeurs abdominales est rendue difficile par l’influence des vaisseaux sanguins et les variations de la conductivité thermique, compliquant la planification spécifique à un patient donné. En fournissant des outils prédictifs, les modèles biophysiques pourraient aider les cliniciens à planifier et guider efficacement la procédure. Nous introduisons un modèle mathématique détaillé des mécanismes impliqués dans l’ARF des tumeurs du foie comme la diffusion de la chaleur et la nécrose cellulaire. Il simule l’étendue de l’ablation à partir d’images médicales, d’après lesquelles des modèles personnalisés du foie, des vaisseaux visibles et des tumeurs sont segmentés. Dans cette thèse, une nouvelle approche pour résoudre ces équations basée sur la méthode de Lattice Boltzmann est introduite. Le modèle est d’abord évalué sur des données de patients qui ont subi une ARF de tumeurs du foie. Ensuite, un protocole expérimental combinant des images multi-modales, anatomiques et fonctionnelles pré- et post-opératoires, ainsi que le suivi de la température et de la puissance délivrée pendant l'intervention est présenté. Il permet une validation totale du modèle qui considère des données les plus complètes possibles. Enfin, nous estimons automatiquement des paramètres personnalisés pour mieux prédire l'étendu de l’ablation. Cette stratégie a été validée sur 7 ablations dans 3 cas cliniques. A partir de l'étude préclinique, la personnalisation est améliorée en comparant les simulations avec les mesures faites durant la procédure. Ces contributions ont abouti à des résultats prometteurs, et ouvrent de nouvelles perspectives pour planifier et guider l’ARF. / The outcome of radiofrequency ablation (RFA) of abdominal tumors is challenged by the presence of blood vessels and time-varying thermal conductivity, which make patient-specific planning extremely difficult. By providing predictive tools, biophysical models may help clinicians to plan and guide the procedure for an effective treatment. We introduce a detailed computational model of the biophysical mechanisms involved in RFA of hepatic tumors such as heat diffusion and cellular necrosis. It simulates the extent of ablated tissue based on medical images, from which patient-specific models of the liver, visible vessels and tumors are segmented. In this thesis, a new approach for solving these partial differential equations based on the Lattice Boltzmann Method is introduced. The model is first evaluated against clinical data of patients who underwent RFA of liver tumors. Then, a comprehensive pre-clinical experiment that combines multi-modal, pre- and post-operative anatomical and functional images, as well as the interventional monitoring of the temperature and delivered power is presented. This enables an end-to-end validation framework that considers the most comprehensive data set for model validation. Then, we automatically estimate patient-specific parameters to better predict the ablated tissue. This personalization strategy has been validated on 7 ablations from 3 clinical cases. From the pre-clinical study, we can go further in the personalization by comparing the simulated temperature and delivered power with the actual measurements during the procedure. These contributions have led to promising results, and open new perspectives in RFA guidance and planning.