Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d'exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s'appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés "modèle poly-sphérique " et " modèle des réflexions " provenant respectivement d'une intuition physique et d'une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d'objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d'évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l'histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d'objet permettant d'étendre le champ d'applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl'impact d'une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire.

Le projet européen ANGELS a pour but de construire un robot anguille capable de naviguer par le sens électrique et de se scinder en plusieurs mono-agents pour des besoins d’exploration. Dans le cadre de ce projet, mon travail a consisté à élaborer un modèle de perception inspiré du poisson électrique, le challenge étant de faire de ce modèle un modèle de perception rapide et embarquable pour une détection en ligne par un engin sous-marin robotisé équipé du modèle. Deux modèles de perception ont été construits, s’appuyant tous deux sur une géométrie simple mais réaliste de capteur. Les deux modèles baptisés «modèle poly-sphérique » et « modèle des réflexions » provenant respectivement d’une intuition physique et d’une méthode mathématique appropriée se calibrent une fois pour toute avec un simulateur électrique, pourrevêtir in fine une forme analytique. Couplés aux modèles existant de réponses électriques d’objets, les modèles de perception ont permis de faire effectuer à un robot capteur des tâches basiques d’évitement et de détection, ce qui est à ce jour une première dans l’histoire. En parallèle, nous avons développé un formalisme générique de réponse d’objet permettant d’étendre le champ d’applicabilité des modèles de perception. Enfin, nous avons commencé à estimerl’impact d’une géométrie complexe de capteur présentant de larges surfaces isolantes sur la mesure pour envisager la modélisation du sens électrique par un capteur de forme arbitraire. / The goal of the European project ANGELS is to build an eel-like robot capable to navigate by the electric sense and to divide itself in several mono-agents for exploration purposes. In the context of this project my work consisted in creating a perception model inspired from the electric fish with the virtue of being fast and so, to be usable in-line. Two models of perception were built and were based on a simple but realistic geometry of sensor. The two models named after the « poly-spherical model » and the « reflexions model » which come respectively from a physical intuition and an appropriate mathematical model are calibrated once for all with an electrical simulator in order to have analytical forms. Coupled with models of the electrical response of objects, the two models of perception permit the robot to achieve some basic tasks like detection and obstacles’ avoidance, which is a novelty in the history. In addition we have built a generic formalism of theelectrical response that extents the application of the models of perception. Finally we have begun to estimate the influence of a complex geometry of sensor, that exhibs large insulating surfaces, on the measurement in order to open the way for the rapid modelling of a sensor of arbitrary shape.

La protection contre les décharges électrostatiques (ESD) est un fait necessaire dans chaque circuit intégré. Elle se fait par le déploiement sur la puce d'un réseau de dispositifs spéciaux, à côtés des éléments fonctionnels. La demande pour des améliorations en continu dans la conception et la simulation de l'ESD apporte le besoin de modèles nouveaux et plus précises. La SCR (« Silicon Controlled Rectifier ») est l'un des dispositifs les plus efficaces de protection contre l'ESD. Un nouveau modèle électrique, qui peut être utilisé pour évaluer les structures de protection complexe dont il fait partie, a été développé au cours de cette thèse. Construit avec une forte relation entre les phénomènes physiques et ses équations, il a été parametrisé geometriquement, offrant la possibilité d'adapter et d'optimiser le dispositif selon le niveau de protection nécessaire. Par ailleurs, une étude à haute fréquence sur le SCR et la diode de protection ESD a été réalisé, conduisant à un modèle capable de prédire l'impact de ces dispositifs ont sur le circuit protégé. / Electrostatic discharge (ESD) protection is a must in every integrated circuit. It is done by deploying a network of special devices on-chip, alongside the functional elements. The demand for continuously improvements in ESD design and simulations brings the need of new and more accurate scalable models. The SCR (silicon controlled rectifier) is one of the most efficient ESD protection devices. A new electrical model, that can be used to evaluate the complex protection structures of which it is part of, was developed during this thesis. Built with a strong relation between the physical phenomena and its equations, it was rendered scalable, offering the possibility of tailoring and optimizing the device according to the needed protection level. Moreover, a high-frequency study on the SCR and the ESD protection diode was carried out, leading to a model able to predict the impact these devices have on the protected circuit.

Les activités électrostatiques que j'ai développées à Supélec sont les très modestes héritières d'une histoire prestigieuse, puisqu'elles sont en définitive issues des choix de Frédéric Joliot- Curie, qui dans les années 30 avait développé les premiers accélérateurs de particules français en créant le Laboratoire de Synthèse Atomique. Pour cela, il fallait notamment maîtriser la production et l'utilisation de tensions de plusieurs MV. Ces compétences « haute tension » ont été regroupées par la suite dans le Laboratoire de Physique des Décharges, qui a finalement abouti dans les locaux de Supélec. Roland Coelho, au début des années 1980, y apporta les premières sondes de mesure de potentiel et c'est dans ce laboratoire, aujourd'hui disparu en tant qu'entité indépendante, que j'ai fait ma thèse sous la direction de Max Goldman, à la frontière entre la physique de la décharge et l'électrostatique. Ces activités ont été ensuite transférées au Département Energie, avec le début de mon activité en 1994. Depuis, j'ai été le seul enseignant-chercheur permanent à porter cette thématique dans le Département, même si elle présente un lien avec l'activité menée par Emmanuel Odic et Mike Kirkpatrick sur les applications des plasmas froids. On peut regrouper mes travaux de recherche depuis lors selon 4 lignes directrices : 1) La modélisation dans toutes ses composantes du comportement d'un matériau soumis à une charge électrique : mon apport essentiel est d'avoir développé un mode opératoire permettant une exploitation plus sûre et plus détaillée des mesures de déclin de potentiel. D'une part, en montrant la nécessité de prendre en compte la superposition de mécanismes multiples dans la réponse d'un isolant lorsqu'on effectue ce type d'expérience, et d'autre part, en proposant de nouveaux outils de représentation ne préjugeant pas de la nature physique des phénomènes . 2) Le développement de techniques électrostatiques : différents outils pour varier le dépôt de charge (contact, corona, rouleau...), un banc de cartographie 2D de potentiel, un banc permettant la mesure de la dérive du potentiel d'une isolation polarisée en alternatif après l'ouverture du circuit, des dispositifs de mesure de charge. 3) La caractérisation de matériaux et de systèmes par des mesures de potentiel : ces mesures se sont montrées très bien adaptées pour mesurer les seuils d'injection de charge et la polarisation lente du polypropylène, du polyéthylène, de l'époxy, et d'élastomères silicones. Et la cartographie un bon outil pour localiser des fragilités locales à champ élevé (films polypropylène pour des condensateurs) et observer la progression souterraine de la corrosion sous des systèmes de peinture anticorrosion . 4) L'animation de la communauté française en Electrostatique, et une réflexion sur l'histoire de cette discipline : en France, l'Electrostatique apparaît peu comme champ de recherche autonome. La société française d'Electrostatique (SFE) a été fondée en 1997 pour répondre à ce problème, et s'insérer dans un réseau international déjà développé par ailleurs, notamment au Japon et aux Etats-Unis. Nous avons organisé à Supélec en 2008 sa 6ème conférence, et j'ai eu l'honneur d'être Guest Editor du 1er numéro spécial de IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation consacré à l'électrostatique. Par ailleurs, j'ai commencé une activité de recherche en histoire des sciences sur cette discipline, autour de deux axes : le rôle de l'électrostatique dans l'histoire de la radioactivité et du développement de la physique atomique en France, et l'utilisation de l'Electrostatique dans la médiatisation de la science.

La protection contre les décharges électrostatiques (ESD) est un fait necessaire dans chaque circuit intégré. Elle se fait par le déploiement sur la puce d'un réseau de dispositifs spéciaux, à côtés des éléments fonctionnels. La demande pour des améliorations en continu dans la conception et la simulation de l'ESD apporte le besoin de modèles nouveaux et plus précises. La SCR (" Silicon Controlled Rectifier ") est l'un des dispositifs les plus efficaces de protection contre l'ESD. Un nouveau modèle électrique, qui peut être utilisé pour évaluer les structures de protection complexe dont il fait partie, a été développé au cours de cette thèse. Construit avec une forte relation entre les phénomènes physiques et ses équations, il a été parametrisé geometriquement, offrant la possibilité d'adapter et d'optimiser le dispositif selon le niveau de protection nécessaire. Par ailleurs, une étude à haute fréquence sur le SCR et la diode de protection ESD a été réalisé, conduisant à un modèle capable de prédire l'impact de ces dispositifs ont sur le circuit protégé.

Nous avons déterminé par diffusion de rayons X le potentiel d’interaction entre deux bicouches, une première adsorbée sur un substrat solide et une deuxième flottant à proximité. Nous montrons que les interactions dans ces systèmes fortement hydratés sont deux ordres de grandeur plus faibles que dans les travaux précédents menés sur des phases multilamellaires. Cette caractéristique est attribuée à la répulsion électrostatique due à la faible fraction de lipides ionisés. Nous avons de plus accès aux potentiels de répulsion entropique, et testons les différents modèles théoriques existants.Les effets d’un champ électrique sur les membranes ont également été étudiés. Nous montrons que le champ induit une tension négative et une rigidité positive, et mène à la déstabilisation d’une bicouche supportée sous certaines conditions.Finalement, nous mesurons les propriétés de membranes chargées par diffusion de rayons X, nous permettant d’accéder aux limites de la théorie de Poisson-Boltzmann. / We have determined by grazing incidence X-ray scattering the interaction potential between two lipid bilayers, one adsorbed on a solid surface and the other floating close by. We find that interactions in this highly hydrated system are two orders of magnitude softer than in previously reported work on multilayer stacks. This is attributed to the weak electrostatic repulsion due to the small fraction of ionized lipids in defectless supported bilayers. We also access the entropic repulsion potentials, allowing us to discriminate between the different existing models.The effects of an electric field on the properties of membranes have also been studied. We show that the field induces a negative tension and an increase of the rigidity. We also show that it is possible to destabilize a supported bilayer by an electric field under certain conditions.Finally, we measure the properties of charged membranes using X-ray scattering, giving access to the limits of the Poisson-Boltzmann theory.

Les systèmes diphasiques à pompage capillaire sont couramment utilisés pour contrôler la température de l'électronique embarquée. Ces systèmes sont fiables et performants, mais ils présentent certaines limites associées essentiellement à la vaporisation dans le milieu poreux (limite capillaire, limite d'ébullition). Une façon d'étendre leurs performances en termes de longueur de transport de la chaleur et d'intensification des transferts serait de les coupler avec un système mécaniquement actif. Un des moyens pour réaliser cela est d'utiliser les forces électro-hydro-dynamiques (EHD) se développant dans le fluide lorsqu'on applique un champ électrique. Les travaux proposés sont une contribution à la compréhension de l'interaction entre une interface liquide-vapeur et un champ électrique afin de déterminer quels sont les mécanismes qui dans ces conditions contrôlent le pompage et le transfert de chaleur. La première partie se focalise sur l'étude expérimentale d'une interface liquide-vapeur sous un champ électrique avec ou sans flux de chaleur dans une configuration très académique (deux électrodes planes et verticales) tout en étant proche de ce qui se passe dans une cannelure de caloducs par exemple. L'objectif est d'observer, de quantifier et d'analyser les effets (forces, structures, instabilités) se développant sur l'interface. Une analyse a ensuite été menée à partir de modèles 1D et 2D. Nous avons ainsi pu vérifier que parmi l'ensemble des forces s'exerçant sur l'interface, la force diélectrophorétique est celle qui contrôle sa position et sa forme avec ou sans vaporisation. On a montré cependant qu'il existait des effets de couplage avec la conduction électrique dans le liquide pouvant sensiblement agir sur la courbure de l'interface. Enfin, les résultats en vaporisation ont confirmé que le champ électrique, en donnant des moyens de contrôle de la position et de la structure de l'interface de vaporisation, peut être effectivement mis à profit pour une intensification des transferts de chaleur proches d'une paroi chauffée. Dans un dernier volet, les travaux se sont concentrés sur la mise en mouvement d'un liquide diélectrique en mettant à profit le régime de conduction. Une étude expérimentale permettant d'étudier l'influence des différents paramètres (géométrie des électrodes, distance inter électrodes, nombre de modules) a été réalisée dans les fluides HFE-7000 et HFE-7100. Les résultats ont montré une faible reproductibilité des performances de la pompe pour ces fluides suggérant une forte sensibilité des phénomènes à l'état de surface des électrodes et aux régimes parasites d'injection de charge. / Two-phase systems based on the capillary pumping are widely used for electronics cooling. These systems are reliable and efficient, but the maximum heat load is given by the porous medium characteristics (pore size and conductivity) and the fluid properties. The use of an additional source of energy to actively control the heat transport and the heat transfers is a way to extend the performance. Electro-hydrodynamic forces (EHD) could fulfill this objective. This work proposed a contribution to the understanding of the interaction between a liquid-vapor interface and an electric field in order to determine which mechanisms control the pumping and heat transfer. The first part focused on the experimental study of a liquid-vapor interface under an electric field with or without heat flux in a very academic configuration while being close to the operating conditions of the vaporization in a groove of a heat pipe for example. The objective was to observe, quantify and analyze the effects (forces, structures, instabilities) developing on the interface. On top of that, analysis based on 1D and 2D models were made. We found that the dielectrophoretic force mainly controlled the position and the shape of the interface with or without vaporization. However, some effects of coupling with the electrical conduction in the liquid were proved to substantially modify the interface curvature. Finally, the results confirmed that the electric field can effectively be used to the heat transfer enhancement close to a heated wall. In a final section, the work is related to the pumping of a dielectric liquid based on the conduction regime. An experimental study was carried out in HFE-7000 and HFE-7100 fluids to investigate the role of different parameters (electrode geometry, inter-electrode distance, number of modules). For these fluids, the repeatability of results was not satisfactorily suggesting a high sensitivity of the phenomena according to the surface state of the electrodes and parasitic charge injection.

Cette thèse est axée sur la fabrication et l’optimisation d’une nouvelle structure permettant théoriquement d’améliorer les performances des cellules à base de silicium cristallin. Cette nouvelle architecture de cellule utilise la technologie des hétérojonctions de silicium a-Si:H/ c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts interdigités en face arrière (IBC). Le potentiel de rendement des cellules IBC Si-HJ est supérieur à 25%, mais leur fabrication nécessite une localisation des couches de a-Si:H de dopage différent et de leurs métallisations. L’intégration de ces étapes dans un procédé simplifié utilisant des techniques industrielles (PECVD, pulvérisation, sérigraphie et laser) a été étudiée. De plus, une structure obtenue sans séparation entre le BSF et l’émetteur est présentée, permettant de réduire le nombre d’étapes de fabrication. Les avantages ainsi que les limites liés à cette architecture simplifiée ont été illustrés du point de vue expérimental et par simulation. Dans le cadre de ces travaux, le rendement maximum atteint sur les dispositifs IBC Si-HJ simplifiés de 25cm² est de 19% (substrats de type n), ce qui constitue le 3e meilleur résultat au niveau mondial. Les performances des cellules restent encore limitées par l’absorption des couches de a-Si:H utilisées pour la passivation de la face avant, et par la conductivité des couches dopées en face arrière. De nombreuses pistes d’amélioration sont explorées dans cette étude. Un procédé de métallisation innovant a également été élaboré pour le passage sur des substrats de grande taille (150cm²). Il permet de limiter les pertes résistives tout en offrant de la flexibilité au niveau de la géométrie des contacts. La mise en module de cellules ayant ce design de métallisation a ensuite été étudiée, et un module de 4 cellules IBC Si-HJ a pu être fabriqué. / This thesis studies the fabrication and the optimization of a new structure to enhance the efficiency of crystalline silicon based solar cells. This new cell design uses a-Si:H/c-Si heterojunction (Si-HJ) technology applied on interdigitated back contact structures (IBC). With IBC Si-HJ solar cells, the efficiency potential is theoretically higher than 25%. Their fabrication requires to pattern doped a-Si:H and the associated metallization on the same side. The implementation of those process steps has been carefully studied. All processes used in this study are potentially industrial (PECVD, sputtering, screen-printing, and laser) and the obtained structure without buffer layer between the BSF and the emitter allows to reduce fabrication steps. Issues linked to this design have been investigated. Within the frame of this work, the maximum efficiency reached on reduced size devices (25cm²) with n-type substrate and is 19% which is the 3rd best result worldwide. The cell performances are still limited by the absorption of front surface passivating layer (a-Si:H) and by the low doped layer conductivity. Several optimization ways are explored in this study. An innovative metallization process is then elaborated to allow large area solar cell fabrication while limiting resistive losses and offering more flexibility on metallized pattern. The interconnection and the encapsulation of cells with this metallization design have been illustrated and a module with 4 cells has been fabricated.

On s'est interesse dans ce travail a l'etude de deux equations cinetiques. La premiere est une equation cinetique quantique homogene decrivant l'effet Compton. Ce phenomene se produit lorsque les photons entrent en collision avec les electrons. Le noyau dans l'integrale de collision presente une forte singularite en l'energie nulle. Un resultat d'existence locale en temps d'une solution entropique au probleme de Cauchy est obtenu pour de petites valeurs initiales. La deuxieme est une equation de Vlasov couplee avec l'equation de Poisson. Le systeme de Vlasov-Poisson modelise les interactions entre plasma et satellite. Plus precisement, on s'interesse au phenomene de charge electrostatique d'un satellite en orbite geostationnaire. Les particules, essentiellement des ions et des electrons, sont décrites suivant une approche cinétique. On considère le cas où la dynamique des ions et des électrons obéit à une équation de Vlasov et où le potentiel est donné par l'équation de Poisson. Le but est d'etudier ce probleme dans un cadre 3D dans tout l'espace. Une methode particulaire pour la resolution de l'equation de Vlasov est couplee a une methode d'elements finis et infinis pour la partie Poisson.

Ce travail porte sur la modélisation numérique des propriétés diélectriques de matériaux composites modèles à deux et trois phases comportant des inclusions de forme arbitraire. Deux approches numériques basées sur la méthode des éléments finis FE) et celle des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) sont implantées et validées. Dans un premier temps nous décrivons une méthode de simulation FDTD pour étudier l'influence de la géométrie de l'inclusion sur les propriétés diélectriques effectives d'une structure hétérogène non-dissipative bidimensionnelle à deux phases. Nous avons spécifiquement considéré une géométrie fractale de l'inclusion et examinons les conséquences de la symétrie d'auto-similarité sur la permittivité du matériau composite. Dans un deuxième temps, nous utilisons une méthode de simulation FE permettant le calcul de la permittivité effective complexe de structures bidimensionnelles perforées. Ces calculs permettent d'apporter un éclairage innovant sur le rôle des différents paramètres (fraction surfacique et périmètre de l'inclusion, contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice hôte, pertes diélectriques, et forme des trous) influençant la permittivité effective. Nous montrons également que le facteur de dépolarisation d'une inclusion dans une structure composite peut être finement ajusté selon la forme de l'inclusion, le contraste de permittivité entre l'inclusion et la matrice, ainsi que par la polarisation du champ électrique. L'originalité de la méthode est de mettre à profit le caractère dipolaire des interactions électrostatiques dans la limite diluée. De par l'analogie qui existe entre les phénomènes de polarisation et d'aimantation dans l'hypothèse quasi-tatique, ces paramètres permettent aussi une évaluation du facteur de désaimantation. Les propriétés diélectriques de matériaux artificiels (métamatériaux) sont également analysées afin d'en isoler des comportements spécifiques. Nous montrons que la forme de l'inclusion influe sur la position de la résonance électrostatique (RE). Selon la forme de l'inclusion, son arrangement dans le composite(isolée, ou structurée en réseau), ses paramètres intrinsèques, nous mettons en évidence une hiérarchie originale des positions de la RE. Enfin à l'aide de structures encapsulées, nous montrons qu'un contrôle précis des propriétés de RE de structures de type métamatériaux (permittivité dont la partie réelle est négative) peut être réalisé par la polarisation du champ excitateur et la topologie de l'inclusion. L'ensemble de ces résultats numériques permet d'apporter un éclairage innovant sur la réponse diélectrique de matériaux composites à la base d'un très grand nombre d'application technologiques.