This work addresses the relevant errors of the anisotropic magnetoresistance sensor for inertial navigation systems. The manuscript provides resulting guidelines and solution for using the AMR sensors in a robust and appropriate way relative to the applications. New methods also are proposed to improve the performance and, reduce the power requirements and cost design of the magnetometer. The new compensation method is proposed by developing an optimization algorithm. The necessity of the sensor calibration is shown and the source of the errors and compensating model are investigated. Two novel methods of indoor calibration are proposed and examples of operating systems are presented.

Ce mémoire présente l'étude et la conception d'électroniques d'interrogation de capteurs passifs de grandeurs physiques à base d'ondes élastiques se propageant à la surface de matériaux (SAW) piézoélectriques mono-cristallins. L'objectif consiste à réaliser une électronique d'interrogation capable de sonder la réponse d'un résonateur SAW au travers d'une liaison radiofréquence (RF) sans fils pour en extraire une information de température. Les résonateurs dans la bande ISM centrée en 433,92 MHz sont développés dans le cadre du projet SAWHOT pour de la mesure haute température (650 oC). Les résonateurs à onde élastique emmagasinent de l'énergie sous forme d'onde élastique lorsqu'ils sont stimulés par un signal radio-fréquence à la fréquence de résonance. Celle-ci est restituée à la fin de son excitation. Les électroniques présentées dans ce manuscrit fonctionnent sur l'analyse de la puissance rétro-diffusée par le capteur en s'inspirant de l'architecture d'un analyseur de réseau à balayage de fréquence. Deux électroniques d'interrogation sont présentées. La première utilise une synthèse de fréquence directe. La souplesse de générer un signal RF pour exciter le résonateur a donnée naissance à divers algorithmes pour optimiser les performances de la mesure. La vitesse à laquelle le lecteur est capable de sonder le capteur permet l'interrogation de capteurs placés sur un support mobile (axe de moteur). La résolution de mesure obtenue atteint le dixième de degré Celsius. La seconde électronique vise à réaliser une électronique compacte dans le but de réduire le nombre et la consommation des composants en intégrant les chaînes d'émission et de réception. Cette électronique est construite autour d'un radio-modem : ce composant combinant fonctionnalités RF et numériques est détourné de sa fonction principale de communication numérique dans le but d'interroger un résonateur SAW. Les contraintes associées aux constantes de temps, à l'isolation nécessaire et à l'accès à l'étage de réception d'un radio-modem nécessittent une étude préalable approfondie. L'algorithme développé pour ce composant a nécessité l'utilisation de techniques de traitement RADAR pour obtenir la température résultante d'un capteur différentiel bi-résonateurs. Cette électronique a permis de mesurer une température à 1 oC et de communiquer le résultat au travers d'une liaison numérique sans fil.

Les tests de dispositifs de communication sans fil peuvent être réalisés en utilisant des simulations numériques ou des sondeurs de canaux. Bien que ne reflétant pas un environnement électromagnétique réaliste, une chambre réverbérante peut néanmoins émuler un canal de propagation comparable à un cas réel si l'on modifie convenablement ses propriétés. Les propriétés des signaux générés dans une chambre réverbérante sont fonction de différents paramètres. Au cours des trois années de thèse, nous avons analysé et mis en oeuvre plusieurs techniques pour mesurer et contrôler ces paramètres à l'intérieur d'une chambre réverbérante. D'abord, différents estimateurs du facteur K sont testés et leurs propriétés sont évaluées. Nous présentons les limites de fonctionnement utiles dans lesquelles différents estimateurspeuvent être utilisés. Ensuite, nous proposons deux nouveaux estimateurs qui utilisent comme données d'entrée seulement l'enveloppe du signal. Ils apportent en outre des améliorations sur la gamme des valeurs détectables du facteur K. Une des possibilités pour contrôler un canal de propagation à l'intérieur d'une chambre réverbérante est d'utiliser des matériaux absorbants. Nous présentons une méthode pour estimer la surface équivalente moyenne d'absorption en utilisant une seule antenne. Cette méthode exploite la mesure de la bande de cohérence du canal de propagation. Ensuite, nous étendons notre analyse à la prédiction de la surface équivalente moyenne d'absorption lorsqueles dimensions géométriques et les propriétés électromagnétiques des absorbants sont connues. On crée ensuite un modèle de canal de propagation en exploitant les régimes transitoire et permanent du signal. Avec ce modèle, selon les informations disponibles, on peut extraire le facteur K, la surface équivalente moyenne d'absorption et différents paramètres temporels (i.e., profil de l'étalement des retards). Nous poursuivons avec deux applications possibles des chambres réverbérantes. Tout d'abord, on évalue le gain d'une antenne à partir de mesures du coefficient de réflexion decette antenne. Nous étendons notre analyse à l'évaluation du diagramme de rayonnement de l'antenne et de son erreur d'estimation. Nous estimons aussi la désadaptation de l'antenne et son ouverture à 3 dB. La deuxième application porte sur l'évaluation du gain de diversité dans la chambre réverbérante. Nous isolons les influences des efficacités des antennes, des puissances des composantes brassées, et des facteurs K sur l'évaluation du gain de diversité.On obtient une relation simple de la corrélation de puissance en fonction de la corrélation complexe lorsque les facteurs K sur différents branches ne sont pas identiques. Nous montrons que lors d'un fort déséquilibre de facteur K il est impossible de conclure sur le gain de diversité à partir de la seule évaluation de la corrélation d'enveloppe ou de puissance. À l'aide de simulations statistiques on compare le gain de diversité mesuré avec les valeurs simulées.

Ce travail de thèse porte sur le développement de films diamantés pour des applications de dissipation de chaleur dans les circuits électroniques de puissance. Dans le cadre d’un accord de cotutelle franco-américain, une approche duale a été adoptée. En France, la fabrication de films composites à matrice cuivre et renforts diamant par métallurgie des poudres a été privilégiée. Aux Etats-Unis, les efforts se sont concentrés sur la croissance de films de diamant par une méthode de combustion de flamme assistée laser. Dans chacune des approches, les corrélations entre microstructure et interfaces (microscopies à balayage et à transmission), composition chimique (spectroscopies Auger, Raman, XPS), et propriétés thermiques (radiométrie flash laser, radiométrie photothermique infrarouge, dilatométrie, cyclage thermique) ont été établies. Enfin, la simulation du comportement des matériaux en situation de fonctionnement opératoire à été abordée. / This PhD work deals with the development of diamond-based heat-spreading films for power electronic packaging applications. In the frame of a French-American dual PhD agreement, a double research approach was adopted. In France, the fabrication of copper-matrix diamond-reinforced composite films through tape casting and hot pressing has been endeavoured. In the US, the efforts were focused on the growth of diamond films through laser-assisted combustion synthesis. In both cases, relationships between the microstructure and the interfaces (scanning and transmission electron microscopy), the chemical composition (Auger, Raman, and XPS spectroscopy), and the thermal properties (flash laser radiometry, infrared photothermal radiometry, dilatometry, thermal cycling) of the final materials were established. Finally, the behaviour of the materials in operating environment was simulated.

Aujourd'hui CEM normative sur RSIL ne permet pas de garantir le bon fonctionnement de façon systématique. La sûreté est assurée au moyen de marges CEM, souvent excessives. Le système est donc sous optimal Par ailleurs, le fonctionnement des convertisseurs sur RSIL n'est pas forcément représentatif du fonctionnement réel: le RSIL n'est pas forcément représentatif des impédances des réseaux embarqués. De ce fait, le filtrage d'un convertisseur peut être optimisé sur RSIL mais n'est plus forcément optimal dès qu'on est sur un réseau réel. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la modélisation CEM des réseaux embarqués, en vue de pouvoir prédire le comportement, et d'optimiser les moyens de filtrage. / Today normative LISN EMC does not guarantee the proper functioning systematically. Safety is ensured by EMC margins often excessive. The system is therefore suboptimal Furthermore, the operation of the converters on the AN is not necessarily representative of the actual operation : the AN is not necessarily representative of the impedances of embedded networks . Thus , filtering of a converter can be optimized but on the AN is not necessarily optimal since it is a real network . The objective of this thesis is to advance the EMC modeling of embedded systems in order to predict behavior, and optimize the filter means.

Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l’environnement imposent l’insertion de plus en plus importante d’énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l’intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l’intermittence et d’optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l’utilisation de transformateurs pour assurer l’isolation galvanique et l’adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d’une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l’isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l’échange de puissance entre les différentes sources. L’analyse réalisée se compose d’une méthodologie pour le dimensionnement, d’une structure TAB DC/DC, d’une structure TAB DC/AC monophasée, d’une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d’une structure TAB DC/AC triphasée. / International agreements for the reduction of polluting emissions to the environment require the use of renewable energies in the electricity grid. In addition, the integration of storage devices is envisaged in the future electrical networks in order to solve the intermittence problems and to optimize the consumption of the users. However, due to the different characteristics of the electrical signals involved (DC current for renewable sources and batteries, AC current for the electrical network), the current structures consist on several cascaded converters. This results in a low energy density, higher costs and reduced efficiency for the system. In addition, the different voltage levels (battery voltages, renewable sources and power grid) and safety constraints often require the use of transformers to provide galvanic isolation and match the voltages.This thesis focuses on the design of an innovative three-port structure for the bidirectional power flows control between a renewable power source, a battery pack and the power grid (single phase or three-phase) with a single conversion stage. The TAB (Triple Active Bridge) structure has been chosen for this purpose, due to its many advantages such as galvanic isolation, soft switching (ZVS) in all of its active bridges (allowing to work at high switching frequency) and the possibility of an easy power flow control between the different sources. In this way, the analysis has established a methodology for the design of a TAB DC / DC structure, a single-phase TAB DC / AC structure, a single-phase TAB DC / AC structure with a series connected active filter in order to achieve a "single phase power decoupling" and finally, for the design of a three-phase TAB DC / AC structure.

L’utilisation diversifiée des dispositifs de l’électronique de puissance est une conséquence des avancées fulgurantes dans la compréhension théorique de la physique des semi-conducteurs. L’approche applicative se traduit par la conception de modules de puissance au sein desquels sont implantées des puces semi-conductrices. Les densités de puissance injectées dans ces composants ne cessent d’accroitre et les seuils d’intégration sont également toujours repoussés dans le sillage de la conception de systèmes à encombrement réduit. Dès lors, la gestion des contraintes, notamment électrothermiques, est devenue un challenge majeur dans l’utilisation des systèmes de l’électronique de puissance. L’environnement sévère résultant des profils de température contraignants fait qu’une attention particulière est portée sur les aspects de fiabilité des dispositifs. Les stratégies de suivi de l’état de santé des modules et les méthodes de caractérisation des assemblages de puissance nécessitent l’estimation de la température des puces semi-conductrices.Diverses méthodes sont aujourd’hui mises en œuvre afin d‘estimer la température des composants semi-conducteurs ; cette dernière étant assimilée à une température de jonction virtuelle Tjv, caractéristique de la zone active des puces semi-conductrices. Les paramètres électriques thermosensibles (PETS) sont largement utilisés afin d’estimer la température de jonction de ces puces. La problématique de la représentativité de ces PETS n’est toutefois pas suffisamment adressée dans la littérature scientifique. Il est par conséquent nécessaire de mettre au point des moyens et méthodes complémentaires afin d’évaluer des paramètres thermosensibles, notamment dans les conditions de fonctionnement des composants au sein des convertisseurs de l’électronique de puissance.Dans le cadre de nos travaux de thèse, nous avons réalisé une puce semi-conductrice instrumentée qui offre la possibilité de mener de manière simultanée une mesure de température avec un PETS et un capteur résistif. Les procédés classiques de la microélectronique sont adaptés à l’électronique de puissance pour la réalisation de cet outil de validation des PETS. Les capteurs résistifs sont implémentés à la surface de composants de puissance du commerce (Diodes, IGBTs) ; ces composants instrumentés sont par la suite intégrés dans des modules de puissance. Une campagne expérimentale est menée en dernier lieu pour valider le bon fonctionnement des capteurs sur la base d’une comparaison de mesures de température par thermographie infrarouge et avec un PETS dédié. / The fast-paced advancements in the understanding of semiconductor theoretical basis lead to the conception of diversified power electronic devices. In the field of power electronics, the efficiency of those devices is strongly linked to high power rates and full integration trends that guide the design process of converters. Consequently, electrothermal constraints management is gaining importance when it comes to the reliability aspect of power systems. The key parameter that needs to be monitored during converter lifetime is the junction temperature of semi-conductor components.Many methods are used to estimate the junction temperature of semi-conductor chips embedded into power converters. That parameter is usually defined as a virtual junction temperature Tjv which reflects the temperature of the active parts of power chips. Among those approaches, ThermoSensitive Electrical Parameters (TSEPs) are widely employed. Nonetheless, the representativeness of TSEPs is not fully addressed in the scientific literature. It is therefore mandatory to investigate this aspect using new additional methods to validate the temperature measurements performed thanks to TSEPs, especially under the converter’s conditions of use.As part of our work, a new temperature measurement tool dedicated to TSEPs validation is designed. Microelectronic conventional processes are adapted in order to develop a power instrumented chips (Diodes, IGBTs) with integrated temperature sensor. It makes possible simultaneous junction temperature measurements using a TSEP and the on-chip resistive detector. The experimental validation results are performed using instrumented power modules and infrared thermography.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la grande problématique de la récupération d’énergie. Il s’agit plus précisément de convertir de petites quantités d’énergie cinétique présentes dans un écoulement d’air en énergie électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur électrostatique. L’énergie électrique convertie est ensuite destinée à alimenter des capteurs autonomes communicants pour le monitoring de structures, le suivi environnemental, le monitoring de santé…Le manuscrit comprend une étude des travaux antérieurs en récupération d’énergie des écoulements d’air, la compréhension physique des phénomènes de conversion électrostatique, de mécanique des fluides et d’aérodynamique à très faibles nombres de Reynolds, ainsi qu’une description des prototypes développés et des résultats expérimentaux obtenus.Les récupérateurs que nous avons développés se divisent en deux grandes catégories : (i) les récupérateurs rotatifs qui transforment l’énergie cinétique de l’air en énergie mécanique de rotation et (ii) les récupérateurs aéroélastiques qui puisent l’énergie cinétique du vent pour produire de l’énergie mécanique par oscillations périodiques. Ces deux types de récupérateurs ont été associés à des convertisseurs électrostatiques dédiés, polarisés par l’ajout d’électrets ou auto-polarisés par triboélectricité. Les récupérateurs d'énergie ont été optimisés et nous avons notamment montré l'intérêt de la conversion électrostatique pour des dispositifs de petites dimensions (quelques cm²) fonctionnant à faible vitesse (<3m/s). Les densités surfaciques de puissance atteignent 5µW/cm2@1m/s pour les récupérateurs rotatifs et de l'ordre de 10µW/cm2@10m/s pour les récupérateurs aéroélastiques. Les micro-générateurs ont finalement été combinés à des circuits de gestion d'énergie pour alimenter des capteurs autonomes communicants, validant la chaine complète de récupération d'énergie, montrant par la même occasion l'intérêt des circuits de gestion d'énergie actifs de type SECE (synchronous electric charge extraction) ou MPP (maximum power point). / This work is enshrined in the energy harvesting context. More specifically, the purpose is to convert small amounts of kinetic energy from airflows into electrical energy through an electrostatic converter. The electrical energy produced is then intended to supply low power sensors for structural health monitoring, environmental follow-up, human monitoring…The manuscript includes an overview of the state of the art on airflow energy harvesting, the physical understanding of electrostatic conversion phenomena, fluid mechanics, ultra-low Reynolds number aerodynamics, a description of the prototypes developed and the results obtained.The harvesters we have developed are divided into two families: (i) the rotational harvesters which transform the kinetic energy of airflows into mechanical energy of rotation and (ii) the aeroelastic harvesters which use wind energy to produce mechanical energy of periodical oscillations. These two types of harvesters have been associated to different electrostatic converters, polarized by the addition of electrets or self-polarized by triboelectricity. The energy harvesters have been optimized and we have demonstrated the benefit of the electrostatic conversion for small devices (a few cm2) operating at low speeds (<3m/s). The power densities reach 5µW/cm2@1m/s for rotational devices and in the range of 10µW/cm2@10m/s for aeroelastic devices. The micro-generators were finally combined with power management circuits to supply autonomous and communicating sensors. This last stage completes the energy harvesting chain and also shows the high benefit of active circuits (synchronous electric charge extraction, maximum power point).

Les convertisseurs de puissance en DC/DC sont largement utilisés pour les applications domestiques et industrielles pour des puissances de quelques Watts à quelques MégaWatts. Généralement, pour chaque application un convertisseur adapté est conçu afin de répondre au cahier des charges. A chaque nouvelle application correspond donc un nouveau convertisseur, ce qui conduit à concevoir systématiquement de nouvelles structures de conversion et qui s'avère coûteux en temps et en argent. Eventuellement, cela peut conduire à des développements technologiques spécifiques qui, eux aussi ont des conséquences sur le coût de développement des solutions d'électronique de puissance.Afin de contourner ces difficultés, mes travaux de thèse portent sur la démarche Réseaux de Micro Convertisseurs (RµC) qui propose une nouvelle approche permettant de répondre de manière totalement flexible à n’importe quel cahier des charges. Cette approche vise à créer un composant unique, appelé cellule élémentaire (CE), permettant de répondre à tout type de cahiers des charges par la mise en série et/ou en parallèle de plusieurs de ces cellules élémentaires. Elle permet ainsi de régler les calibres en tension et/ou en courant du convertisseur à réaliser. Mes travaux de thèse se divisent en deux grandes parties. La première partie consiste en la conception et l’intégration de la cellule élémentaire utilisée dans le RµC. La deuxième, aborde les stratégies de configuration utilisées dans les RµC ainsi que les modes d’association des cellules élémentaires pouvant répondre à n’importe quel cahier des charges. / DC/DC power converters are widely used for domestic and industrial applications with powers from a few watts to several MegaWatts. Generally, for each application, an appropriate converter is designed to meet the specifications. So, with a new application corresponds a new converter leading to systematic review and re-design of a new structure of conversion which is costly in time and money. Eventually, it can lead to specific technological developments which also have an impact on the cost of developing solutions for power electronics. To circumvent these difficulties, my thesis focuses on the process of Micro Converters Networks (MiCoNet) which proposes a new approach to respond fully flexibely to any specifications. The aim of this approach is to create a unit component, called elementary cell, able to respond to any kind of specifications by connecting in series and/or parallel several of these elementary cells. It permits to adjust the voltage and/or current of the converter to achieve. Therefore, my thesis is divided into two main parts. The first part consists in the design and the integration of the elementary cell used in the MiCoNet. The second discusses the configuration strategies used in the MiCoNet and association modes of elementary cells which can respond to any specification.

L'utilisation de systèmes moléculaires individuels pouvant jouer le rôle de composants avec des fonctions électroniques ou logiques requiert des interfaces parfaitement contrôlées. Plus précisément, le support sur lequel ces systèmes sont déposés et les électrodes métalliques qui permettent de contacter une molécule individuelle, sont des interfaces qui nécessitent un soin d'élaboration particulier. La croissance d'îlots bidimensionnels (2d) de métaux sur un isolant monocristallin permet de générer des nano-plots 2d pouvant servir de réservoirs d'électrons en minimisant les courants de fuite en surface. Ainsi, il apparaît capital de bien comprendre les modes de croissance des systèmes métal/isolant qui sont à l'heure actuelle mal connus. Ce travail de thèse s'attache à décrire et à expliquer la croissance de différents métaux sur la surface de l'AlN(0001) polaire, qui est un composé nitrure à grand gap, par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).Dans un premier temps, une description approfondie des différentes surfaces du nitrure d'aluminium est présentée. Des calculs DFT ont permis de rationaliser les reconstructions en fonction des conditions expérimentales. La reconstruction (2 x 2)-Nad est discutée, puisqu'elle a été observée en microscopie à force atomique. Dans un deuxième temps, le cas du dépôt d'atomes d'or est abordé en connexion avec des résultats expérimentaux. Les calculs DFT donnent un aperçu des mécanismes qui conduisent à la stabilisation d'îlots 2d sur l'AlN. L'adsorption d'or s'accompagne, d'une part, d'un transfert de charge vertical provenant du substrat d'AlN, ce qui satisfait au critère de stabilité électrostatique pour un matériau polaire et, deuxièmement, par des transferts de charges horizontaux reliés aux propriétés acido-basiques locales de la reconstruction (2 x 2)-Nad. Enfin, des calculs effectués sur deux autres métaux, le magnésium et l'argent, sont exposés. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles stratégies utilisant des substrats polaires pour développer des monocouches métalliques sur des substrats isolants. / The use of individual molecular systems that can act as components with electronic or logical functions requires perfectly controlled interfaces. More precisely, the support on which these systems are deposited and the metal electrodes that allow to contact an individual molecule, are interfaces that require special care in preparation. The growth of two-dimensional (2d) islands of metals on a monocrystalline insulator allows to generate 2d nano-pads that can be used as electron reservoirs by minimizing surface leakage currents. Thus, it is essential to understand the growth modes of metal/insulating systems which are at present poorly known. This work aims at describing and explaining the growth of different metals on the surface of the polar AlN (0001), which is a large gap nitride compound, by calculations based on density functional theory (DFT). In a first step, a detailed description of the various surfaces of the aluminum nitride is presented. DFT calculations permit to rationalize the reconstructions according to the experimental conditions. The (2 x 2)-Nad reconstruction is discussed, since it was observed by atomic force microscopy. In a second step, the case of the deposit of gold atoms is tackled in connection with experimental results. DFT calculations give an overview of the mechanisms that lead to the stabilization of 2d islands on AlN. The adsorption of gold is accompanied, on the one hand, by a vertical charge transfer from the AlN substrate, which satisfies the electrostatic stability criterion for a polar material and, on the other hand, by horizontal charge transfers related to the local acid-base properties of the (2 x 2)-Nad reconstruction. Finally, calculations made on two other metals, magnesium and silver, are exposed. These results open the way to new strategies using polar substrates to develop metallic monolayers on insulating substrates.