La mesure de micro- et nano-force fait partie des mesures nécessaires à la caractérisation des interactionsou des propriétés mécaniques intervenant à l’échelle micrométrique. Dans cette optique,nous avons poursuivi un travail de conception initié au Laboratoire d’Automatique de Besançon en2002 pour développer un prototype avancé de capteur de micro- et nano-force par lévitation diamagnétique.Le transducteur force-déplacement de ce capteur est un microcapillaire rigide en verred’une dizaine de centimètres. Ce microcapillaire est en lévitation passive stable dans l’espace grâceà l’action conjuguée de forces magnétiques et diamagnétiques créant ainsi un ressort magnétiquevirtuel. La mesure d’une force externe appliquée à l’extrémité du capillaire est rendue possible grâceà la connaissance de la mesure du déplacement du capillaire et de la raideur du ressort magnétique.La plage de mesure de ce capteur varie entre ±40 μN avec une résolution de l’ordre du nanonewton.Les avancées présentées dans ce manuscrit ont porté sur la détermination des efforts diamagnétiquesengendrés par l’utilisation des plaques de graphite. Ce travail a permis une optimisation dudesign global du dispositif et son transfert à l’entreprise STIL SA. De plus un processus d’estimationpar déconvolution a été développé pour tenir compte du comportement dynamique du micro capillaireet des bruits de mesure du déplacement. Les domaines d’applications potentiels de ce dispositifconcernent notamment la caractérisation des interactions mécaniques quasi-statiques pouvant intervenirentre deux micro-objets et la détermination de propriétés mécaniques propres à un micro-objet. / The measurement of micro- and nano-force is necessary to characterize the mechanical propertiesand interactions occurring at micrometer scale. In this context, we work on an advanced design ofmicro- and nano-force sensor based on diamagnetic levitation initiated at Laboratoire d’Automatiquede Besançon in 2002. The force-displacement transducer of this sensor is a ten centimeter long glassmicro capillary. This micro capillary levitates passively and stably thanks to the combined action ofmagnetic and diamagnetic forces which create a virtual magnetic spring. Measuring an external forceapplied to the end of the capillary is made possible through knowledge of the capillary displacementand the stiffness of magnetic spring. The measuring range of the sensor varies between ±40 μN witha resolution about a nanonewton. Advances presented in this thesis focused on the determinationof the diamagnetic forces generated by the use of graphite plates. This work has allowed us tooptimize the overall design of the device and transfer it to our industrial partner STIL SA. Moreovera deconvolution estimation process was developed to take into account the dynamic behavior of themicro capillary and measurement noises. Potential fields of application of this device concern themechanical characterization of quasistatic interactions which may occur between two micro-objectsand the determination of intrinsic mechanical properties of a micro-object

Les Transformateurs Moyenne Fréquence (TMF) sont une technologie innovante par rapport aux transformateurs basse fréquence, avec la promesse d’une réduction de volume et d’une augmentation du rendement. Cette thèse s’intéresse en particulier à leur conception pour des applications haute tension forte puissance, telles que les réseaux haute tension et moyenne tension à courant continu, ainsi que les réseaux ferroviaires. Dans ces applications, les TMF sont utilisés au sein de convertisseurs pouvant générer des contraintes spécifiques à prendre en compte durant leur conception : signaux non-sinusoïdaux, tension de polarisation, valeurs d’inductances cibles. De plus, les choix technologiques actuellement disponibles pour la réalisation des TMF sont nombreux, et aucun de ces choix ne fait actuellement consensus quelle que soit l’application visée. Des tendances ont pu être identifiées à l’aide d’un outil de classification des designs de TMF issus de la littérature. Ainsi, les technologies les plus prometteuses ont été sélectionnées et retenues pour la suite. A partir de ces technologies, une méthodologie de conception permettant de concevoir et comparer rapidement et ce de façon semi-automatique des TMF avec différents choix technologiques a été mise en place. Elle est constituée de trois étapes : pré-design, design analytique et validation. Le design analytique complet du TMF avec différents choix technologiques est réalisé à l’aide d’un outil de conception automatisée développé durant cette thèse, que nous avons nommé SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). Cette méthodologie requiert des modèles et données pour chacun des composants et phénomènes du TMF. Concernant le noyau magnétique, une revue et une sélection de modèles issus de la littérature ont été effectuées pour l’évaluation de l’inductance magnétisante et des pertes magnétiques. De plus, des caractérisations magnétiques ont permis de mettre en évidence l’impact de certains procédés technologiques sur les niveaux de pertes de noyaux magnétiques en matériau nanocristallin, qui est un excellent candidat pour les TMF. Au niveau des bobinages, des modèles analytiques pour calculer le champ magnétique, l’inductance de fuite et les effets de peau et de proximité ont été développés et comparés avec ceux de la littérature ainsi que des simulations. Ces nouveaux modèles s'avèrent obtenir une meilleure précision sur les géométries de TMF considérées que ceux de la littérature. De plus, une nouvelle méthode d’évaluation des capacités parasites de bobinages à spires rectangulaires a été mise en place et validée avec succès. Des schémas thermiques équivalents ont été identifiés pour différentes géométries de TMF. Les résistances thermiques de conduction, convection et radiation sont calculées à partir de modèles détaillés. En particulier, l’anisotropie des matériaux est prise en compte pour la conduction thermique, et les coefficients de convection sont évalués via des corrélations différentes pour chaque face du TMF. Les schémas thermiques sont ensuite résolus de façon itérative et analytique pour prendre en compte les non-linéarités des résistances thermiques tout en optimisant le temps de calcul nécessaire. Enfin, l’ensemble de la méthodologie de conception mise en place a été appliqué sur trois cas d’études correspondant à des applications cibles : haute tension, moyenne tension et ferroviaire. Les résultats obtenus montrent effectivement la performance et la nécessité de cette approche / Medium Frequency Transformers (MFT) are an innovative technology compared to low frequency transformers, with the promise of reduced volume and increased efficiency. This PhD thesis focuses in particular on their design for high voltage, high power applications, such as high voltage and medium voltage DC networks, as well as railway networks. In these applications, MFTs are used in converters that can generate specific constraints to be taken into account during their design: non-sinusoidal signals, polarization voltage, target inductance values. Moreover, the technological choices currently available for the realization of MFTs are numerous, and there is currently no consensus on any technology for any given application. Trends could be identified using a tool to classify MFT designs from the literature. Thus, the most promising technologies were selected and retained for the future. Based on these technologies, a design methodology was developed to quickly and semi-automatically design and compare MFTs with different technological choices. It consists of three steps: pre-design, analytical design, and validation. The complete analytical design of the MFT with different technological choices is carried out using an automated design tool developed during this thesis, named SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). This methodology requires models and data for each of the components and phenomena of the MFT. Concerning the magnetic core, a review and selection of models from the literature were carried out for the evaluation of the magnetizing inductance and magnetic losses. In addition, magnetic characterizations have made it possible to highlight the impact of certain technological processes on the levels of loss of magnetic cores made of nanocrystalline material, which is an excellent candidate for MFTs. Concerning the windings, analytical models to calculate the magnetic field, leakage inductance and skin and proximity effects were developed and compared with those in the literature and simulations. These models are proving to be more accurate on the MFT geometries considered. On top of that, a new method for evaluating the parasitic capacitances of windings with rectangular turns has been successfully implemented and validated. Thermal networks have been identified for the different MFT geometries. The thermal resistances of conduction, convection and radiation are calculated from detailed models. In particular, the anisotropy of materials is taken into account for thermal conduction, and the convection coefficients are evaluated via different correlations for each face of the MFT. The thermal networks are then solved iteratively and analytically to take into account the non-linearity of the thermal resistances while optimizing the required computation time. Finally, this entire design methodology was applied to three case studies corresponding to the target applications: high voltage, medium voltage and rail. The results obtained do show the performance and necessity of this approach.

Nous présentons une contribution à la modélisation tridimensionnelle des phénomènes électromagnétiques et thermiques couplés dans les matériaux supraconducteurs à haute température critique. La méthode des volumes finis est adoptée comme méthode de résolution des équations aux dérivées partielles caractéristiques aux phénomènes physiques traités. Le couplage électromagnétique thermique est assuré par un algorithme alterné. L’ensemble des modèles mathématico-numériques ainsi développés et implémentés sous Matlab, sont appliqués pour étudié le comportement des supraconducteurs dans le cadre des paliers magnétiques et pour étudier le comportement des supraconducteurs durant le processus d’aimantation. Les résultats à caractère magnétique et ceux à caractère thermique sont largement présentés. La validité du travail proposé est atteinte par comparaison des résultats ainsi obtenus à ceux donnés par l’expérimentation. / We present a contribution for three-dimensional modeling of coupled electromagnetic and thermal phenomena in high temperature superconductor. The control volume method is used for the resolution of the partial derivative equations characterising of the treated physical phenomena. The electromagnetic and thermal coupling is ensured by an alternate algorithm. All mathematical and numerical models thus developed and implemented in Matlab software, are used for the simulation. The results in magnetic term and those in thermal term are largely presented. The validity of the suggested work is reached by the comparison of the results so obtained to those given by the experiment.

In this age of wireless technology, Body Area networks (BAN) is revolutionising the concept of patient care and health monitoring. BAN provides people good assessment of their health status at any time, wherever they are physically. The increased interest in developing effective body (in, on & off) communication systems made phantoms which can mimic the electrical properties of an actual human body necessary. Wearable antennas which are the indispensable part of BAN got to be low pro file and above all influences that human body can make. There should also be a way to reduce the effect of antennas on human body namely specific absorption rate (SAR). In this work effort has been made to develop phantoms suitable for both On body and In body communications. The base materials which are selected for the study are of biological origin (bio ceramics and biopolymers) whose behaviour is closer to that of human tissues. As these phantoms are biocompatible they are essentially non toxic where the conventionally available phantoms are toxic in nature. Different kinds of low profile conformal wearable antennas working at 2.4GHz ISM band were developed and studied in the BAN perspective. Antennas suffer much in terms of matching and efficiency when they are in contact or in the premises of human body. This is a major hurdle in the way to setting up a good body communication network. This work encompasses various techniques adopted to limit the body interferences to an acceptable level. The techniques adopted (Such as Backing Ground Plane, High Impedance Surface & Polymeric Ferrite Sheets) proved to be effective in reducing the sway in antenna characteristics when they are mounted on body. Specific absorption rate is also brought to acceptable levels and thus avoiding the formation of hot spots due to microwave absorption. A safer and cost effective BAN can be set up using this work which will lead to a safer, mobile and healthy future. / Les réseaux BAN (Body Area Network) révolutionnent le concept de la surveillance et de la prise en charge à distance de la santé du patient. Le BAN fournit des informations sur l’état de santé du patient en temps réel quelque soit l’endroit où il se trouve. Dans le « télé monitoring », des capteurs de mouvement, de respiration ou du rythme cardiaque placés à l’intérieur ou sur le corps humain transmettent des données via le réseau sans fil constituant le BAN, une antenne étant associée à chaque nœud du réseau. La communication peut être in/on, on/on ou on/off selon que les antennes sont placées à l’intérieur, sur ou à l’extérieur du corps. Le développement des BAN nécessite la réalisation de modèles (ou fantômes) simulant au mieux les propriétés électromagnétiques du corps humain. Des antennes portables, miniaturisées doivent être réalisées avec des contraintes d’intégration d’une part (aux vêtements, à des objets type montre ou badge), des contraintes de résistance ou de prise en compte de l’influence du corps d’autre part. La réduction de l’impact des antennes sur les tissus en terme de SAR (Specific Absorption Rate) doit également être considérée. Dans ce travail, l’objectif est de développer des fantômes valables pour les communications dans et sur le corps. Les matériaux de base sélectionnés sont d’origine biologique (biocéramiques et biopolymères) avec des propriétés proches de celles des tissus humains. Ces fantômes étant biocompatibles, ils sont essentiellement non toxiques alors que les fantômes usuels le sont en général. D’autre part, différents types d’antennes conformables, fonctionnant dans la bande ISM 2.4 GHz ont été développées et étudiées dans la perspective du BAN. Les antennes voient leur adaptation et leur efficacité chuter au contact ou à proximité du corps, ce qui constitue un écueil majeur pour établir une bonne communication. Différentes méthodes permettant de réduire l’influence du corps (plan de masse à l’arrière, surface haute impédance, feuille de ferrite polymère) sont testés et leurs avantages et inconvénients développés. Des mesures de SAR permettent aussi de démontrer l’efficacité de ces méthodes sur la réduction de la puissance absorbée par les tissus. Au final, ce travail apporte une contribution à l’étude théorique et expérimentale de l’interaction entre corps humain et antenne dans le cadre des réseaux BAN appliqués à la télésurveillance de la santé.

L’Optimisation Topologique (OT) est un sujet en plein essor qui suscite l’intérêt de nombreux chercheurs depuis ces deux dernières décennies dans le domaine de l’électromagnétisme. L’OT représente une méthode très attrayante et originale car elle permet de trouver des structures innovantes sans aucun a priori. Ce travail de thèse est orienté vers l’OT des dispositifs électromagnétiques en approfondissant plusieurs aspects du sujet. Tout d’abord, un outil d’OT est développé et testé, à partir des outils existant au L2EP. En effet, l’OT requiert un outil d’éléments finis et un outil d’optimisation devant être couplés. Une méthodologie originale d’OT fondée sur les principes de la Méthode de Densité est développée et testée. Un cas test académique est utilisé afin de tester et valider le couplage des outils et la méthodologie. Une approche visant à prendre en compte le comportement non-linéaire des matériaux ferromagnétiques avec nos outils OT est également mise en place. Ensuite, la méthode est appliquée afin d’optimiser un électroaimant en 3 dimensions, représentant un cas test proche de la réalité. Ce cas test permet de comparer les résultats avec un comportement linéaire et non-linéaire des matériaux. Diverses topologies sont présentées, par rapport aux différentes formulations du problème. Par la suite, la méthodologie est appliquée à un dispositif électromagnétique plus complexe : une Génératrice Synchrone à Pôles Saillants. Cet exemple nous permet de voir comment la définition du problème d’optimisation peut grandement affecter les résultats d’OT. Quelques topologies sont présentées, et leur faisabilité est analysée / Topology Optimisation (TO) is a fast growing topic that has been sparking the interest of many researchers for the past two decades in the electromagnetic community. Its attractiveness lies in the originality of finding innovative structures without any layout a priori. This thesis work is oriented towards the TO of electromagnetic devices by elaborating on various aspects of the subject. First of all, a tool for TO is developed and tested, based on the ‘home-made’ tools available at the L2EP. As TO requires a FE and an optimisation tool working together, a coupling is done using both. Furthermore, a TO methodology is developed and tested, based on the Density Method. An academic cubic test case is used to carry out all the tests, and validate the tools and methodology. An approach is also developed to consider the nonlinear behaviour of the ferromagnetic materials with our TO tools. Afterwards, the methodology is applied to a 3D electromagnet, which represents a more real test case. This test case also serves to compare the results with linear and nonlinear behaviour of the materials used. Various topologies are presented, for different problem formulations. Subsequently, the methodology is applied to a more complex electromagnetic device: a Salient Pole Synchronous Generator. This example allows us to see how the problem definition can largely affect TO results. Some topologies are presented and their viability is discussed

Cette thèse aborde la problématique des transferts de chaleur dans les micro et nanoystèmes. La première partie concerne la conduction thermique dans l'air. La microscopie à force atomique thermique dite SThM est présentée, et la sonde résistive Wollaston est analysée afin de pouvoir être utilisée à haute température. Les pertes thermiques de la sonde dans l'air environnant sont mesurées en fonction de la pression. L'échange thermique entre la sonde chaude et un échantillon froid est déterminé en fonction de la distance pointe-échantillon. Une modélisation simple de l'expérience, avec des lignes de flux parallèles, tend à démontrer un comportement qui dévie de la diffusion thermique de Fourier. Une étude numérique mettant en jeu une pointe pyramidale nanométrique est ensuite effectuée à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo dans le but d'analyser le transport thermique balistique.<br />La seconde partie aborde le rayonnement thermique de champ proche entre les corps métalliques. Il apparaît que le transfert radiatif est différent de celui des matériaux polaires lorsque les distances entre deux corps sont nanométriques. Ceci n'est pas dû à un phénomène modélisable avec l'optique non-locale. Le flux est en fait essentiellement d'origine magnétique et met en jeu des courants de Foucault stochastiques, pris en compte par la contribution dipolaire magnétique dans le cas d'une nanoparticule. Une longueur caractéristique du transfert est l'épaisseur de peau. Elle permet notamment d'expliquer une expérience récente.<br />La possibilité de mesurer le rayonnement de champ proche avec le microscope SThM est également évaluée.

Les matériaux magnétiques doux (Fe, Ni, Co, ... sous forme cristalline, polycristalline ou amorphe) sont utilisés en électrotechnique pour convertir l'énergie, guider les lignes de flux et transmettre des signaux. Leur principale caractéristique est de s'aimanter aisément. Ces matériaux sont aussi conducteurs et des courants sont induits en régime transitoire et périodique. Ces derniers peuvent être classiquement<br />diffusés à une échelle macroscopique mais aussi et surtout localement induits dans une microstructure magnétique en mouvement et réarrangement incessant. Ces effets d'amortissement et de pertes dynamiques ont plusieurs conséquences parfois difficilement prévisibles:<br />des pertes d'énergie, des temps de retard, de la distorsion de signal et de la rémanence. Nous nous intéressons à la recherche de modèles<br />fidèles dans le but de comprendre les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux en régime statique et dynamique et de simuler avec précision le comportement des dispositifs électrotechniques. Nous choisissons de nous concentrer particulièrement sur l'effet des courants induits microscopiques en plus de ceux macroscopiques, puisqu'ils sont à l'origine des pertes en excès et de l'hystérésis dynamique qui sont observées expérimentalement.<br />Après avoir longuement étudié la problématique, les enjeux et les modèles existants; nous avons entrepris la construction d'une représentation des matériaux à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre l'échelle microscopique et macroscopique, utilisable aussi bien en Ingénierie des Matériaux qu'en simulation numérique type Eléments Finis. Pour ce, les équations de champs dans la matière ont été redérivées en présence des processus physiques dynamiques mis en jeu.<br />Ensuite nous nous sommes attachés à résoudre analytiquement certains problèmes simples pour appréhender les apports et limites de<br />notre modélisation. Il s'est agit de comparer la théorie à l'expérience et de caractériser des échantillons sur bancs de mesure normalisés.<br />Enfin, nous avons mis en oeuvre, à l'aide d'une méthode numérique (la Méthode des Eléments Finis), des formulations électromagnétiques 3-D et 2-D dédiées. Nous les avons testées sur des cas tests simples en les comparant systématiquement aux résultats standards et antérieurs, aux calculs analytiques et aux observations. Des premières configurations simples d'applications de sécurité électrique ont aussi été simulées et étudiées : un transformateur de courant et un actionneur électromécanique.

Ces travaux de thèse se situent dans le domaine du multiplexage hyperfréquence pour les systèmes de télécommunication de Guerre Électronique. Ils s'inscrivent dans le cadre d'une étude portant sur la miniaturisation des solutions actuelles de multiplexage visant à réduire l'encombrement et donc le coût de fabrication de ce type de dispositifs Radar. L'objectif est donc de proposer une alternative aux technologies et architectures classiques de multiplexeurs qui, bien que performantes, pâtissent d'un encombrement et d'un poids prohibitifs pour les systèmes aéroportés du futur. Le multiplexage en fréquence permet un découpage d'un spectre électromagnétique en un certain nombre de bandes de fréquence (canaux) dont le nombre, la largeur et l'espacement dépendent de l'application visée. L'objectif de ces travaux est donc d'étudier la faisabilité d'un multiplexeur en technologie planaire, découpant la bande 2-18GHz en 16 canaux contigus. L'enjeu de cette étude concerne autant l'architecture globale du composant que le choix de la topologie des différents filtres qui le composent, afin de respecter un cahier des charges très contraignant en termes de performances électriques ou d'encombrement. La connexion et la cohabitation des différents filtres au sein du multiplexeur est également un paramètre critique de l'étude, et nécessite une attention particulière. Nous proposons ici un découpage en fréquence singulier impliquant l'utilisation d'une architecture originale de multiplexeur utilisant divers composants passifs tels qu'un diviseur de puissance de type Wilkinson, des duplexeurs ou encore plusieurs quadriplexeurs (banques de quatre filtres). Ces travaux ont donc été divisés en sous-blocs dont nous prouvons, pour chacun d'eux, la faisabilité en technologie planaire. Les duplexeurs utilisent une topologie originale dite " flèche " dont nous développons la synthèse et les quadriplexeurs HF sont basés sur la topologie DBR développée au laboratoire. Les quadripexeurs BF sont, quant à eux, basés sur différentes topologies large bande (interdigitée, à stubs CO ou CC). La validité de l'architecture globale proposée est également avérée. Au cours de cette thèse, divers outils d'aide à la conception des circuits hyperfréquences complexes ont été développés afin de simplifier au maximum le flot de conception classique et donc de diminuer les temps de réglage. Plusieurs réalisations et de nombreuses simulations électromagnétiques viennent étayer les résultats et confirmer l'acuité des outils utilisés.

La quasi-totalité des études de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour les applications aux véhicules hybrides concernent les performances uniquement sur quelques points particuliers d'un cycle de fonctionnement du véhicule (le point de base, le point à grande vitesse ou le point le plus sollicité). Cependant, ces machines électriques fonctionnent souvent à différents couples et à différentes vitesses. Cette thèse s'intéresse donc à l'étude des performances de MSAP sur l'ensemble d'un cycle de fonctionnement en vue de les optimiser sur cycle. Durant cette thèse, l'auteur a contribué à développer les modèles de couple, de défluxage, de pertes cuivre et de pertes magnétiques et les méthodes de calcul de ces pertes à vide et en charge pour les quatre MSAP dont trois machines à concentration de flux et une machine à aimants en surface du rotor et pour trois cycles de fonctionnement : NEDC, Artemis-Urbain et Artemis-Routier. Une validation expérimentale de ces modèles a été effectuée sur un banc d'essai moteur avec deux prototypes de MSAP. Ensuite, les MSAP ont été dimensionnées en vue d'une minimisation des pertes sur cycle et du courant efficace du point de base. Cette combinaison a pour but d'augmenter le rendement de la machine électrique et de minimiser la dimension de l'onduleur de tension associée. Ce problème d'optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. Les impacts des modèles de pertes (à vide et en charge) sur l'optimisation sur cycle des machines sont étudiés et l'intérêt de chaque modèle est présenté. Les modèles et méthodes de calcul proposés peuvent être appliqués à tous les cycles de fonctionnement, à différentes MSAP et à différentes applications.

Pour répondre aux besoins des domaines d'applications, de plus en plus ambitieux, et gagner de nouveaux domaines, les VCSELs continuent à évoluer. On note une tendance des recherches récentes à la miniaturisation des sources VCSELs et à la complexification de leurs architectures pour augmenter leur capacité d'intégration et incorporer de nouvelles fonctionnalités. Cela nécessite la maîtrise et l'adaptation des différentes étapes technologiques dont l'ingénierie du confinement électrique et optique exploitant la technologie d'oxydation sélective humide d'alliages AlGaAs, appelée AlOx. Ce travail de thèse porte, d'une part, sur l'étude des contraintes mécaniques engendrées par le procédé AlOx, qui ont un impact important sur le fonctionnement des VCSELs, leur fiabilité et leur durée de vie. D'autre part, je présente une nouvelle approche planaire de la technologie AlOx basée sur une oxydation d'une couche AlGaAs enterrée à travers des trous nanométriques gravés dans une couche GaAs fine en surface. Cette étape est suivie d'une reprise d'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour continuer l'empilement de la structure du composant. La nouvelle méthode offre une meilleure capacité d'intégration, une meilleure dissipation de chaleur et ouvre vers l'ingénierie libre du confinement opto-électrique.