Les travaux entrepris dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet BodyScoring. Ce dernier propose une solution innovante basée sur l'utilisation d'une technologie embarquée (BodyTrack) et des applications web (BodyLink) pour évaluer les habiletés motrices et pour développer la motivation pour l’accomplissement d’une pratique physique régulière. Dans le cadre de ce projet, notre apport a consisté à évaluer et à noter la qualité de la marche des personnes âgées par le biais de capteurs inertiels qui incluent accéléromètre, gyromètre et magnétomètre. Notre apport original a consisté à caractériser le pattern de marche au travers de différentes configurations de capteurs placés sur le corps et de proposer un score global validé et facilement interprétable. Le score permettra de se positionner par rapport à une population de référence jeune et asymptomatique et in fine autoévaluer l’évolution de sa marche. Afin d’atteindre cet objectif plusieurs étapes sont nécessaires. Ainsi, le premier chapitre de ce mémoire décrit en se référant à la littérature les paramètres déterminants de la marche, les facteurs pouvant les influencer et les moyens utilisés pour les quantifier. Le second chapitre porte principalement sur la définition de la meilleure configuration de capteurs pour la détection des événements clés de la marche qui sont la survenue du contact initial et final et la quantification des paramètres temporels. Il en ressort que le gyromètre fixé au bord distal du tibia est la configuration la plus précise aussi bien pour la détection des événements de la marche que pour la quantification des paramètres temporels chez des sujets sains. Le troisième chapitre expose un nouveau protocole expérimental afin de définir les paramètres pertinents pour caractériser la marche et définir l'incidence de la pratique de la marche nordique sur les paramètres biomécaniques. Autrement dit, définir les paramètres biomécaniques qui rendent compte de l'altération du pattern de marche au cours de la sénescence ou encore apprécier l'effet d'une activité physique régulière. Cette étude a révélé 72 paramètres au pouvoir discriminant et rejoint les études qui rapportent un effet bénéfique de lamarche nordique. Pour finir, le quatrième chapitre décrit l'élaboration de nouveaux scores d'évaluation de la marche basé sur les paramètres mis en évidence au chapitre 3 complémentés par ceux qualifiant la symétrie des membres inférieurs et supérieurs. Ces derniers décrivent la qualité de la marche dans son ensemble (score global) et la qualité de chaque aspect (score partiel). Quantifiés pour trois groupes de sujets (âgés sédentaire, âgés sportif et jeune) ces scores ont permis de mettre en évidence l'altération du pattern de marche au cours de la sénescence et l'effet de la pratique d'une activité physique sur les paramètres associés à la marche. / The purpose of this thesis is to asses and scores the gait quality of elderly persons through inertial sensors. The originality of this contribution is to characterize the pattern of walking through different sensor configurations and propose an overall score, valid and easily interpretable. This latter, allows subjects to self-assess to position themselves compared to a young and asymptomatic reference population and ultimately track their evolution.The first chapter, following a review of the literature, identifies the determinant gait parameters, its influent factors and the means used to quantify them.The second chapter, focuses on the definition of the best configuration of sensors to detect gait events and quantify temporal parameters.The third chapter, lists the biomechanical parameters that reflect the changing pattern of walking during senescence or consecutive to a regular physical activity.In the fourth chapter, a new method to compute the score based on the parameters identified in Chapter 3 was developed.

Energy-saving wireless sensors are increasingly used in the industry. Users can remotely monitor the status of the measured device and do not need to frequently replace the battery of the device. In this thesis, we studied a low-cost energy-independent wireless speed sensor system that can power itself by the rotation of the host. The BMG250 MEMS gyroscope is responsible for temperature and angular velocity measurement, and the nRF52832 SoC sends data to the remote monitoring terminal through BLE communication. This study aims to discover the energy consumption and energy saving methods of the entire process of data collection, data transfer, and data transmission. Finally, in order to meet the various test requirements, an energy consumption standard will be summed up to calculate the energy consumption of the entire system.

Cette thèse discute le problème de test de production en grand volume des circuits radio-fréquences (RF) et à ondes millimétriques (mm-wave). Le test des fonctionnalités RF et à ondes millimétriques est très onéreux. Le test intégré est une alternative prometteuse pour faciliter la procédure et réduire les couts, mais il est difficile à mettre en œuvre car il ne faut en aucun cas qu'il réduit la performance du circuit sous test (CUT). Dans cette thèse, nous étudions une technique du test intégré qui repose sur l'utilisation de capteurs non-intrusifs qui prend en compte la variabilité du procédé de fabrication. Cette technique est extrêmement intéressante pour les concepteurs des circuits RF et mm-wave car il leur permet de dissocier le test de la conception. Les capteurs non-intrusifs sont constitués d'étages analogiques triviaux et de composants simples qui sont copiés de la topologie du CUT et sont placés sur la puce à proximité du CUT. Ils offrent simplement une "image" des variations du procédé de fabrication, ce qui leur permet de suivre les variations de performance du CUT. En substance, cette technique tire parti des phénomènes non désirés de variabilité de procédé de fabrication. Le paradigme du test alternatif est utilisé pour estimer les performances du CUT à partir des mesures des capteurs non intrusifs, afin de remplacer les tests standards qui mesurent les performances directement. Ce principe de test est appliqué à deux différents CUTs, nommément un amplificateur à bas bruit à 2.4GHz réalisé en CMOS 65nm et un amplificateur à bas bruit large bande à 60GHz réalisé en CMOS 65nm. Nous démontrons qu'en ajoutant quelques capteurs non-intrusifs sur la puce, qui n'engendrent pratiquement pas de surcout de surface, et en obtenant de ces capteurs non-intrusifs certaines mesures dans le domaine continu et à basse fréquence, nous sommes capable de suivre les variations de toutes les performances du CUT avec une erreur de prédiction moyenne inférieure à l’écart-type de la performance, et une erreur de prédiction maximum qui est inférieure ou au moins comparable aux erreurs de mesure dans un équipement de test automatisé conventionnel. / This thesis addresses the high-volume production test problem for RF and millimeter-wave (mm-wave) circuits. Testing the RF/mm-wave functions of systems-on-chip (SoCs) incurs a very high cost. Built-in test is a promising alternative to facilitate testing and reduce costs, but it is challenging since it should by no means degrade the performance of the Circuit Under Test (CUT). In this work, we study a built-in test technique which is based on non-intrusive variation-aware sensors. The non-intrusive property is very appealing for designers since the sensors are totally transparent to the design and, thereby, the test is completely dissociated from the design. The non-intrusive sensors are dummy analog stages and single layout components that are copied from the topology of the CUT and are placed on the die in close physical proximity to the CUT. They simply offer an “image” of process variations and by virtue of this they are capable of tracking variations in the performances of the CUT. In essence, the technique capitalizes on the undesired phenomenon of process variations. The alternate test paradigm is employed to map the outputs of the non-intrusive sensors to the performances of the CUT, in order to replace the standard tests for measuring the performances directly. The proposed test idea is applied to two different CUTs, namely a 2.4GHz CMOS 65nm inductive degenerated Low-Noise Amplifier (LNA) and a wide-band mm-wave 60GHz CMOS 65nm 3-stage LNA. We demonstrate that by adding on-chip a few non-intrusive sensors of practically zero area-overhead and by obtaining on these non-intrusive sensors DC or low-frequency measurements, we are able to track variations in all performances of the CUT with an average prediction error lower than one standard deviation of the performance and a maximum prediction error that is lower or at least comparable to the measurement and repeatability errors in a conventional Automatic Test Equipment (ATE) environment.

La fonctionnalisation « intelligente » des vêtements et accessoires portés par la personne est un phénomène à croissance rapide. L’installation des smartphones dans le quotidien des personnes en une décennie à peine en témoigne. L’autonomie énergétique de ces systèmes est un enjeu important, tant en termes d’ergonomie que de ressources : l’usage de piles ou batteries électrochimiques à l’échelle de milliards d’objets connectés est difficilement envisageable. La récupération d’énergie se pose en alternative pour complémenter ou remplacer ces unités de stockages. Cette thèse explore plusieurs approches pour utiliser l’énergie mécanique de la personne afin d’alimenter un vêtement intelligent en énergie électrique.Après avoir identifié le besoin énergétique d’un vêtement connecté typique, et comparé les possibilités des récupérateurs d’énergie de la littérature, trois formats de récupérateurs d’énergie sont étudiés. Le premier est un générateur inertiel à induction résonant non linéaire, de la taille d’une pile AA et permettant l’exploitation des impacts des pas de la personne. L’étude porte essentiellement sur la modélisation et l’optimisation du système pour l’activité humaine. Le prototype associé présente une densité de puissance supérieure à 500µW/cm3 lors de la course à pied. Le second récupérateur étudié est aussi un générateur inertiel à induction. D’une forme « toroïdale », il exploite le balancier des membres de la personne, et est capable de produire des puissances supérieures au milliwatt lorsqu’il est fixé au niveau du pied ou du bras. Enfin, le troisième concept de récupérateur d’énergie proposé s’appuie sur la transduction électrostatique à capacité variable pour exploiter des déformations dans les vêtements. Le système associe la triboélectricité avec un circuit d’auto-polarisation passif, le doubleur de Bennet. Cette combinaison permet de polariser une capacité variable de façon importante, sans source de tension externe, et ainsi de maximiser l’énergie électrostatique générée. Le dispositif réalisé pour faire la preuve du concept produit ainsi plus de 150µJ par cycle. Cette architecture électrostatique ouvre d’intéressantes possibilités en matière d’ergonomie et d’intégration dans les vêtements. En effet, elle laisse entrevoir le développement de structures étirables et flexibles s’adaptant bien aux contraintes de cette application.La comparaison de ces trois approches est instructive quant aux perspectives de développement du domaine de la conversion de l’énergie mécanique de la personne. / The functionalization of common objects in the human’s environment with electronics is a fast-growing trend, as demonstrated by the emblematic example of smartphones which became almost essential in the everyday life in less than a decade. One important stake of these systems is their power supply, in terms of ergonomics as well as resources: the use of electromechanical batteries to fuel billions of connected “things” is not the most attractive prospect. Energy harvesting techniques may provide an alternative or a complement to the use of these storage units. This thesis explores different structures of generators to efficiently convert the user’s mechanical energy to ensure the electrical self-sufficiency of smart wearables.Based on power requirement considerations for a typical “smart shirt” and comparing human energy harvesters from the literature, different structures are investigated. The first one is an inertial electromagnetic generator, the size of an AA-battery, designed to convert footsteps impacts. A thoroughly modelled and optimized device is able to generate power densities over 500µW/cm3 while attached on the arm during a run. The second considered energy harvester format is a “looped” inertial structure which is adapted to exploit the swing-type motions of the user’s limbs. This system is able to produce milliwatts-level powers from the motion of a small magnetic ball inside the device. Finally, a third generator concept that relies on electrostatic induction was developed, which uses variable capacitance structures to turn clothes deformations into electricity. The architecture of this energy harvester combines the triboelectric effect with a circuit of built-up self-polarization, Bennet’s doubler. It enables high levels of bias voltages without the need of an external source, and thus to maximize the energy generated per electrostatic cycle. A simple test device is shown to produce over 150µJ per cycle. This approach is promising in terms of integration in smart clothing, because it enables the development of flexible and stretchable devices well complying with the comfort requirements of worn systems.The comparison of those three energy harvesters provides an interesting basis for the future developments of energy harvesters converting one’s mechanical energy.

Le nombre de Seniors de plus de 65 ans atteindra à l'horizon 2050, près de 22% de la population mondiale. Vieillir est une chance, mais cela entraîne chez de nombreuses personnes âgées une perte d'autonomie. Cette dépendance nécessite une aide, parfois permanente, de la famille, de personnels de santé voire dans certains cas une admission en institution. Malheureusement, celle-ci n'est et ne sera pas suffisante pour permettre à nos Seniors de finir leur vie dans le respect de la dignité humaine. Une aide technologique peut-être apportée par l'utilisation de systèmes de détections automatiques de situations critiques. Bien sûr, ils n'auront pas vocation de remplacer les aidants, mais au contraire de soulager leur intervention. Cette thèse a pour but de développer un dispositif intégré répondant à cette demande. Après une recherche approfondie des situations critiques des personnes âgées à leur domicile, un état de l'art des systèmes existants est réalisé. Ceci donne lieu à la conception d'un système multi capteurs de diagnostic et de classification de situations complexes. Ce dernier s'appuie sur différents capteurs non invasifs placés dans l'habitat et sur la personne. Les données collectées permettent par l'intermédiaire d'un algorithme de fusion, de classifier l'activité de la personne. Dans le cas de situations critiques, le système informe automatiquement les secours. Le dispositif développé a fait l'objet d'une validation par l'intermédiare de tests fonctionnels et d'expérimentations en laboratoire. / In 2050, the elderly population over 65-years-old, will represent about 20% of the world's population. Getting older is an opportunity, but unfortunately it also makes people dependent. This dependence requires help, sometimes permanent, from relatives, health professionals and in the worst case may cause a placement of the elderly in a nursing home. Unfortunately, this kind of help is not, and will not be, sufficient to allow every elderly person to live the rest of their life in the respect of human dignity. A potential technological support can be found with automatic detection systems which help detect critical situations. Of course, this kind of system will not replace human help, but only support them. The goal of this thesis is to develop an integrated systemwhich can meet these expectations. After a review of the critical situations of the elderly living independently at home, a bibliography of the existing systems of detection is done. This analysis will help to design a multi sensor analysis and classification system of critical situations detection. The latter is based on different kinds of non invasive sensors located in the homes of the elderly. Experimental data allows to classifying the activity of the elderly thanks to a data fusion algorithm. In case of a critical situation, the alarmsystem will automatically alert the emergency platform. This system was also tested thanks to functional and laboratory experiments.

The advent of deep submicron technology coupled with ever increasing demands from the customer for more functionality on a compact silicon real estate has led to a proliferation of highly complex integrated RF system-on-chip (SoC) and system-on-insulator (SoI) solutions. The use of scaled CMOS technologies for high frequency wireless applications is posing daunting technological challenges both in design and manufacturing test. To ensure market success, manufacturers need to ensure the quality of these advanced RF devices by subjecting them to a conventional set of production test routines that are both time consuming and expensive. Typically the devices are tested for parametric specifications such as gain, linearity metrics, quadrature mismatches, phase noise, noise figure (NF) and end-to-end system level specifications such as EVM (error vector magnitude), BER (bit-error-rate) etc. Due to the reduced visibility imposed by high levels of integration, testing for parametric specifications are becoming more and more complex. To offset the yield loss resulting from process variability effects and reliability issues in RF circuits, the use of self-healing/self-tuning mechanisms will be imperative. Such self-healing is typically implemented as a test/self-test and self-tune procedure and is applied post-manufacture. To enable this, simple test routines that can accurately diagnose complex performance parameters of the RF circuits need to be developed first. After diagnosing the performance of a complex RF system appropriate compensation techniques need to be developed to increase or restore the system performance. Moreover, the test, diagnosis and compensation approach should be low-cost with minimal hardware and software overhead to ensure that the final product is economically viable for the manufacturer. The main components of the thesis are as follows: 1) Low-cost specification testing of advanced radio frequency front-ends: Methodologies are developed to address the issue of test cost and test time associated with conventional production testing of advanced RF front-ends. The developed methodologies are amenable for performing self healing of RF SoCs. Test generation algorithms are developed to perform alternate test stimulus generation that includes the artifacts of test signal path such as response capture accuracy, load-board DfT etc. A novel cross loop-back methodology is developed to perform low cost system level specification testing of multi-band RF transceivers. A novel low-cost EVM testing approach is developed for production testing of wireless 802.11 OFDM front-ends. A signal transformation based model extraction technique is developed to compute multiple RF system level specifications of wireless front-ends from a single data capture. The developed techniques are low-cost and facilitate a reduction in the overall contribution of test cost towards the manufacturing cost of advanced wireless products. 2)Analog tuning methodologies for compensating wireless RF front ends: Methodologies for performing low-cost self tuning of multiple impairments of wireless RF devices are developed. This research considers for the first time, multiple analog tuning parameters of a complete RF transceiver system (transmitter and receiver) for tuning purposes. The developed techniques are demonstrated on hardware components and behavioral models to improve the overall yield of integrated RF SoCs.

<div>The evolution of existing building construction is envisioned as modular construction. Instead of on-site construction, buildings can be assembled on-site using prefabricated modular elements. These modular elements could integrate intelligent building technologies to enable autonomous, occupant responsive, scalable, cost-effective, and sustainable features. On-site assembly of modular construction elements would offer better quality control, decrease material waste and resources, with more predictable schedules. These building elements would allow more cost-effective integration of new intelligent sensors, adaptive interfaces, renewable energy and energy recovery technologies, comfort delivery, and resiliency technologies, making high-performance buildings more affordable. To explore and evaluate these modular and intelligent comfort delivery concepts and advanced approaches for interaction with occupants, a new Human-Building Interactions Laboratory (HBIL) has been designed and is under development. The facility has a modular construction layout with thermally active panels, and the interior surface temperature of each panel can be individually controlled using a hydronic system. Such configuration allows us to emulate different climate zones and building type conditions and perform studies such as the effect of different kinds of active building surfaces on thermal comfort, localized comfort delivery, and occupant comfort control. Moreover, each panel is reconfigurable to investigate different interior surface treatments for thermal, visual, and acoustic comfort conditions. <br></div><div>In this MS thesis work, the overall design approach of the facility is presented. Development, experimental investigation of thermal performance, and aligned design modifications of a prototype thermo-active wall panel are explained in detail. Detailed development of a 1-D transient numerical model for the prototype wall panel and its tuning and validation are also presented. Furthermore, the design and installation plan of the hydronic system for the HBIL facility are also presented with an initial commissioning plan.</div>