" Because technology provides the tools and biology the problems, the two should enjoy a happy marriage ! "1 . Cette phrase resume parfaitement l'esprit du projet qui a motive ces travaux de these. En effet, le couplage des biotechnologies et des micro et nano technologies, resume sous le vocable < Nanobiotechnologies > est une activite en plein essor qui laisse presager de nombreuses applications en particulier dans le domaine de la biodetection. Lobjectif principal de ces travaux est dedie au developpement de strategies d'adressage de biomolecules a l'echelle nanometrique pour des applications de biodetection. Le premier aspect de ce travail est d'ordre technologique. Il concerne la fabrication de dispositifs d'adressage bases sur des reseaux de nanoelectrodes planaires. En utilisant un procede reposant sur lutilisation de la lithographie electronique haute resolution sur un microscope TEM/STEM, nous avons pu demontrer la fabrication de dispositifs a base de nanoelectrodes presentant des espaces inter-electrodes controlables entre 100 et 15nm. Une technique de lithographie alternative, la Nano-Impression est egalement presentee comme une solution possible a la replication de nanodispositifs fabriques par lithographie electronique. La deuxieme partie des travaux est dediee a la mise en place dun schema de detection de nanoparticules que nous avons developpe autour de dispositifs bases sur des reseaux delectrodes inter-digitees. Avant de nous interesser a l'utilisation de ces dispositifs pour une application biologique, nous avons etudie leur reponse electrique vis-a-vis de l'absorption de nanoparticules d'Or par interaction electrostatique. Les premiers resultats obtenus montrent que le schema de detection permet d'atteindre un niveau de sensibilite ultime au travers d'une mesure directe de la conductance des dispositifs. Certaines experiences montrent en effet la possibilite de mesurer electriquement l'adsorption d'une seule nanoparticule. Enfin, la derniere partie de ces travaux est dediee a l'adaptation de ce protocole pour la detection de biomolecules fonctionnalisees par des nanoparticules d'Or. Pour cela, nous avons employe une approche simple basee sur un systeme de reconnaissance entre une molecule cible et une molecule sonde. Ce schema a ete applique a la detection d'interaction antigene/anticorps et nous a permis de transcrire la selectivite de la reconnaissance entre les anticorps dans le depot des nanoparticules qui se traduit par une modification importante de la conductance du dispositif. Les possibilites d'integration ainsi que la compatibilite des dispositifs avec des systemes de microfluidique rendent ce schema de detection particulierement adapte pour le developpement d'un systeme integre de biodetection a tres haute sensibilite. 1 S. Fields, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol 98, pp 10051-10054 (2001)

L'étude ici développée traite de deux aspects de la microfluidique : l'hydrodynamique d'écoulements liquides en microtubes et l'ébullition convective en minicanaux. Le dispositif et la méthode de traitement développés dans la première partie du mémoire permettent d'obtenir le nombre de Poiseuille d'écoulements laminaires liquides avec une précision inférieure à 4%. L'étude met en évidence une croissance du nombre de Poiseuille pour les écoulements d'eau distillée, d'eau de ville et des solutions de KCl au sein de microtubes en silice de diamètres allant de 540 à 52 µm. L'origine des écarts à la théorie classique en macroconduites a été recherchée. Une des hypothèses vraisemblable est l'effet de la Double Couche Electrique due aux ions contenus dans le fluide et à la surface interne du microtube chargée électrostatiquement. Dans la seconde partie du manuscrit, nous mettons en évidence l'influence du confinement pariétal sur un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur au sein d'un minicanal vertical. Deux régimes d'ébullition sont observés : stationnaire avec des structures d'écoulements classiques et instationnaires dues à une production importante de vapeur. Dans ce dernier cas, nous distinguons les fluctuations de couplage et les fluctuations intrinsèques à l'écoulement confiné. Un critère de déclenchement des instationarités permet d'accéder à une grandeur adimensionnelle. Une loi d'échelle est alors proposée pour les écoulements diphasiques dans les minicanaux. Il en est de même pour les transferts thermiques.

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Ce mémoire concerne un ensemble d'élaboration et de caractérisation de couches minces à base de ZnO par la pulvérisation cathodique en continu. L'étude structurale montre que le traitement thermique lors du dépôt et post-dépôt à l'air ont une influence similaire sur l'augmentation de la taille de cristallites jusqu'à une température de 250°C. À partir de cette température critique, la taille des cristallites continue à augmenter en fonction de la température de recuit, alors qu'elle diminue légèrement avec la température de dépôt. L'étude morphologique montre que le traitement thermique lors du dépôt a une influence plus marquée sur la rugosité que celui à l'air de l'ambiante à 470°C. En fonction de la température de dépôt la résistivité électrique en continu diminue lorsque celle-ci augmente. Ce phénomène est directement lié à la qualité de la structure cristalline des films. À l'inverse, le recuit post-dépôt à l'air rend le film plus résistif. La deuxième partie de ce travail porte sur des mesures de bruit en 1/f. Nous montrons que le bruit est très sensible à la température de dépôt et à l'orientation des cristallites dans le matériau. Le bruit obtenu dans le sens transversal est plus élevé que celui obtenu dans le sens longitudinal. De plus, le bruit mesuré en présence de lumière peut être beaucoup plus élevé. Par un modèle simple, nous avons montré que ce phénomène est relié à la photoconductivité et à la présence de défauts en surface du matériau. Enfin, une technique photothermique par radiométrie unfrarouge a été utlilisée pour effectuer une caractérisaiton thermophysique du matériau. Cette technique permet de déterminer les paramètres optiques et thermiques de l'échantillon. Une étude théorique de l'évolution du signal photothermique en fonction de la fréquence de modulation a permis de mettre en évidence les conditions dans lesquelles on peut mesurer ces paramètres avec précision.

L'électronique de puissance et particulièrement les systèmes de conversions deviennent un enjeu majeur de la transition énergétique et de l'avenir des transports. Les contraintes technico-économiques liées aux nouvelles applications impliquent une augmentation des densités de puissance au sein des modules tout en limitant leur coût et en conservant une robustesse satisfaisante. Aujourd'hui, des solutions semblent émerger grâce à des structures innovantes associées aux composants grands gap et à l'intégration tridimensionnelle. Ces solutions apportent cependant un certain nombre de contraintes liées aux interconnexions électrothermomécaniques (ETM). L'augmentation des niveaux de température permis par les composants grands gap et l'attrait du refroidissement double face offert par les assemblages 3D augmentent de manière importante les contraintes thermomécaniques et causent des problèmes de fiabilité. C'est pourquoi de nouvelles interconnexions ETM sont développées pour s'adapter aux nouvelles contraintes et rendre possible ce saut technologique. Cependant les outils permettant la caractérisation thermique et électrique de ces nouvelles interconnexions restent à développer. Les travaux présentés dans ce mémoire se portent sur le développement et la mise au point d'outils de caractérisation des interconnexions dans des assemblages 3D. La difficulté d'obtenir la température du composant au sein du boîtier nous a poussé à explorer deux voies permettant d'estimer la température de jonction (TJ). Premièrement par l'implantation de capteurs de température et de tension au coeur d'un composant de puissance grâce la réalisation d'une puce de test spécifique. Et deuxièmement, par l'observation de la réponse en température de composants fonctionnels faisant appel à l'utilisation d'un paramètre électrique thermosensible (PTS) du composant. Les deux pistes explorées mettent à profit des solutions spécifiques innovantes pour permettre des caractérisations thermique et électrique fines des assemblages d'électronique de puissance.

Le véhicule aérien a connu de nombreuses révolutions durant les dernières décennies afin d’être plus économe en énergie et plus respectueux de l’environnement. Dans cet objectif, l’électricité est apparue comme le vecteur énergétique le plus adapté associé aux sources conventionnelles d’énergie. C’est dans ce contexte que nos recherches se sont portées sur ce mode de transport qui va voir des bouleversements structurels importants et de plus en plus d’équipements électriques installés à bord. Ce travail de recherche s’intéresse à une brique de conversion DC/DC nécessaire au transfert d’énergie entre les bus HVDC et LVDC présents sur les avions actuels, pour cela nous avons étudié la structure et le contrôle de la topologie Dual Active Bridge qui apparaît comme le meilleur candidat pour atteindre les objectifs techniques, de rendement et compacité. Un dimensionnement ainsi que des résultats expérimentaux sont présentés pour valider nos choix avec un démonstrateur de 3,75kW. Des pistes de réflexions sont enfin proposées pour poursuivre et étendre certaine assertions vers une structure tri-ports pour l’interfaçage de multiples réseaux et moyen de stockage. L’originalité de ses travaux réside dans la volonté de concevoir un produit industrialisable dans le domaine de l’aéronautique en favorisant plusieurs ruptures technologiques jusqu’alors rédhibitoire chez les avionneurs. / Avionics is intended to become more and more efficient in terms of energy saving thanks to increased efficiency of embedded system. Today, electricity is presented as the best energy vector compared to hydraulic or pneumatic. This is why current researches aim to focus on power electronic converters in order to meet the future electrical power demand in aircraft networks. This research project presents a DC/DC dual active bridge converter which is expected as the best candidate to meet the complex requirements of an aircraft environment, especially the high voltage dynamics. This persuaded us to study the structure and modulations which are explained and brought face to face with a 3,75kW demonstrator in order to validate the theoretical assumptions. Some food for thought is proposed to extend this work toward a three-port converter to interface multiple network as well as storage systems. The originality of this work is to build a new kind of active conversion system promoting break through technologies to prove it suits to aircraft specifications.

Un système de distribution électrique est le cœur de tous types de sites industriels, aussi bien les sites producteurs d'énergie que les sites consommateurs. La sécurité de ce système doit être impérativement assurée par la mise en place des unités assurant plusieurs fonctionnalités de protection contre les dédauts électriques. Parmi ces fonctionalités il existe celles qui se basent sur des échanges d'information entre plusieurs unités de protection. Le standard IEC 61850 guarantit cet échange des informations via des signaux ‘temps réel' échangé via le réseau de communication. Vue l'aspet non deterministe de ces signaux, une étude poussée de leur fiabilité doit être effectuée. Pour ces raisons notre travail de thèse a pour objectif de mettre en place une méthodologie, basée sur une plateforme de Co-Simulation conçue pendant notre étude, qui permet la validation de la fiabilité de ces messages tout au long du cycle de vie d'un système de communication IEC 61850. / From 2004, a new worldwide standard of communication IEC61850 is introduced in the majority of substation automation system carrying out new innovation prospects to the world of substation. One of these feature is that it allows the exchange of security real time communication messages all over the communication network. These messages are used as control information for the Distributed Automation Application 'DAA'. Taking into consideration that DAA have a direct effect on ythe dependability of a smart grid architecture, the fiability of these real time IEC 61850 should be evaluated. For these reasons, our research delas with the development of a Co-Simulation platform that permits the evaluation and validation of an IEC 61850 communication network.

La lumière est incroyable polyvalente pour mesurer toutes sortes de grandeurs physiques : température, champ électrique, déplacement et déformation, etc. Les capteurs photoniques sont des candidats prometteurs pour les développements de nouvelles générations de capteurs en raison de leurs vertus de sensibilité élevée, une grande gamme dynamique, etc. Les capteurs intégrés et ceux placés en bout de fibre sur une couche mince de niobate de lithium seront ici étudiés en explorant l’électro-optique ainsi que les pyro-électronique afin de concevoir des capteurs de champs et de capteurs de température. / Light is incredibly versatile for measuring all kinds of physical quantities :temperature, electric field (E-field), displacement and strain etc. Photonic sensors are promising candidates for the new generation of sensors developments due to their virtues of high sensitivity, large dynamic range and compact size etc. Integrated and on-fiber end photonic sensors on thin film lithium niobate (TFLN) exploring the electro-optic (EO) and pyro-electric effects are studied in this thesis in order to design E-field sensors and temperature sensors (T-sensors). These studies aim to develop sensors with high sensitivity and compact size. To achieve that aim, sensors that are made of photonic crystals (PhC) cavities are studied by sensing the measurand through the resonance wavelength interrogation method. In integrated sensor studies, intensive numerical calculations by PWE method, mode solving technique and FDTD methods are carried out for the design of high light confinement waveguiding structures on TFLN and suitable PhC configurations. Four types of waveguide (WG) structures (ridge WG, strip loaded WG, slot WG and double slot WG) are studied with a large range of geometrical parameters. Among them, slot WG yields the highest confinement factor while strip loaded WG is an easier option for realizations. Bragg grating is designed in slot WG with an ultra compact size (about 0.5µm×0.7µm ×6µm) and is employed to design PhC cavity. A moderate resonance Q of about 300 in F-P like cavity where the mirrors are made of PhC is achieved with ER of about 70% of the transmission. Theoretical minimum E-field sensitivity of this slot Bragg grating structure can be as low as 200 µV/m. On the other hand, Si3N4 strip loaded WG is designed with 2D PhC structure and a low resonance Q of about 100 is achieved. Fabrications of nano-metrical WG such as ridge WG Si3N4 strip loaded are demonstrated. However, the realization of nanometric components on LN presents a big challenge.In the on-fiber end sensor studies, guided resonance, oftentimes referred to as Fano resonance due to its asymmetric lineshape, is studied with different PhC lattice types. A Suzuki phase lattice (SPL) PhC presenting a Fano resonance at the vicinity of 1500 nm has been studied and demonstrated as temperature sensor with sensitivity of 0.77 nm/oC with a size of only 25 µm × 24 µm. In addition, guided resonances on rectangular lattice PhC have been systematically studied through band diagram calculations, 2D-FDTD and 3D- FDTD simulations.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude du pré-dimensionnement d’un actionneur électromécanique à entrainement direct dans une chaine de commande de vol électrique d’un hélicoptère.Le dimensionnement de cet actionneur répond à un brevet déposé par Airbus Helicopters et les éléments composant l’actionneur devront remplir les critères de sécurité des équipements embarqués des fonctions critiques. Dans un premier temps, une méthode de pré-dimensionnement d’actionneur électromécanique et plus particulièrement de machine électrique est décrite à l’aide d’un modèle analytique. Ce modèle est couplé à un algorithme d’optimisation afin de minimiser la masse tout en conservant les performances. Un prototype a fait l’objet d’une fabrication à l’échelle 1. Dans un second temps, une architecture et une méthode de calcul de l’asservissement sont définies afin d’obtenir les performances attendues par un cahier des charges en termes de précision, vitesse et stabilité. Dans le but d’améliorer le processus de dimensionnement et de prévoir le comportement dynamique de l’asservissement, des modèles multi-physiques sont développés et utilisés. Enfin, le prototype est mis en place sur un banc d’essai. Il a permis de valider le modèle de pré-dimensionnement et plus généralement de caractériser les machines électriques. Enfin, une campagne d’essai avec des cas de panne est réalisée pour mesurer et analyser les effets des pannes sur cet actionneur. / The thesis aim is the pre-design of a direct drive electromechanical actuator for Fly-By-Wire flight control of rotorcraft.The pre-design of this actuator answer to a Airbus Helicopters patent and all component must be compliant with the safety criteria of embedded system for critical function. Over a first phase, a method of electromechanical actuator’s pre-design and particularly of electrical machine is described with an analytical model. This model is linked with an optimization algorithm in order to minimize the actuator’s mass with the whole performances. A full scale prototype has been built.Over a second phase, architecture and methods for designing control are described in order to obtain the specification performances in term of precision, speed and stability. To improve the design process and the dynamic prediction of the control, multiphysics models have been developed and used.At last, the prototype is integrated on a test bench. This one allow to validate the electrical machines pre-design and more generally, to characterize the built electrical motors. A series of failure case’s tests takes place in order to analyze and measure all the actuator effect of the failure case.

Le but de cette thèse est de concevoirun chargeur de véhicule électrique avec une fortedensité de puissance car il doit être embarqué dansle véhicule. La thèse se focalise sur le deuxièmeétage du chargeur qui comporte un transformateur.Cet élément représente une part importante du volumetotal du convertisseur.Pour réaliser cela, une nouvelle technologie de transistorsest utilisée : les transistors GaN. Ces composantsinduisent des pertes par commutation plusfaibles que les transistors classiquement utilisés cequi permet d’augmenter la fréquence de découpage.Cette fréquence est un levier pour améliorer la densitéde puissance des convertisseurs. Cependant lafréquence est également responsable de pertes dansd’autres composants comme le transformateur et lesinductances. Pour augmenter efficacement cette densité, la topologie du convertisseur doit être conçuepour réduire les contraintes sur ces composants.La thèse comporte trois parties. Tout d’abord, lecomportement des transistors GaN est évalué etdifférentes topologies sont analysées pour en déduireune structure de chargeur qui minimise les pertesdans le transformateur. Ensuite, un dimensionnementcompact de transformateur est réalisé à l’aide d’uneétude paramétrique et des simulations par élémentsfinis. Enfin, un prototype de ce deuxième étage duchargeur est réalisé et testé pour évaluer ses performanceset son volume / Improvement of power density is a bigchallenge for embedded electric vehicle chargers.Goal of the study is to reduce the volume of the DCDCcharger which contains a bulky transformer. Thekey point is to use wide band gap transistors (GaN) toincrease the charger switching frequency. High switchingfrequency can improve power density but theinconvenient is the increase of switching and transformerlosses. The PhD dissertation is organized inthree steps. First step is the definition of a charger topology.This topology is optimized to reduce transformerlosses. Second part of the study is the theoreticaldesign of a high power density transformer. A completetransformer parametric model is presented withFinite Element Analysis. Third part present the prototypeand test results of the charger DC-DC. Electricalbehavior, volume and efficiency results are discussedin this part.Universit ´