Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s’appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d’accéléromètre vibrant en silicium est détaillée / A major research effort is necessary to ensure flight control for miniaturized UAV. This research is based on a new generation of inertial sensors, the vibrating sensors, which offer because of their principle and their associated technology achievement, interesting prospects in terms of miniaturization / performance / cost. The focus of this research was to study the relationship between performance and size of silicon vibrating accelerometers.We have established the boundaries of this type of sensor based on the size of the resonator. In particular, the quality factor has emerged as a determining factor and an experimental study was conducted to validate the theoretical models. Thus, many experimental results have enabled us to estimate the expected performances. Finally, a first architecture of silicon vibrating accelerometer is presented

Dans le but d'améliorer la limite de détection des capteurs chimiques à base de micropoutres, ces travaux ont permis de mettre en évidence différents moyens d'optimisation de ces capteurs.En ne se limitant pas à l'étude de la sensibilité et en incluant les notions de bruit de mesure, des règles de conception ont été établies. Ainsi, l'étude des pertes dans les micropoutres et l'étude de l'influence des propriétés viscoélastiques de la couche sensible sur ces micropoutres ont permis d'avoir une meilleure connaissance du bruit de mesure. Les modèles développés ont été confrontés à des essais de caractérisation et à des détections d'éthanol et de toluène. Les résultats obtenus ont permis de valider ces modèles et ouvrent donc la voie à une conception plus éclairée de ces capteurs chimiques.

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents : l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible ; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant.

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s'appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d'accéléromètre vibrant en silicium est détaillée

Actuellement, les objets communicants sans fils occupent une place prépondérante. Pour faciliter leur utilisation, ces objets sont de plus en plus petits et nécessitent de très petites antennes. Cette miniaturisation d'antennes implique forcément une détérioration de leurs performances. La conception d'antennes électriquement petites (AEP) nécessite une très bonne compréhension théorique des mécanismes électromagnétiques mis en jeu notamment quelles limites précises peut-on atteindre pour une AEP étant circonscrive dans un volume donné. Un des paramètres essentiels d'une AEP est son facteur de qualité intrinsèque qui est inversement proportionnel à sa bande passante en impédance. Ainsi, maximiser la bande passante en impédance d'une antenne consiste à minimiser son facteur de qualité. Face à ce problème, de nombreux travaux ont été développés pour déterminer les limites possibles pour des AEP. C'est dans ce cadre que s'inscrit le premier axe de recherche de la thèse : étudier le facteur de qualité d'AEP, afin de déterminer s'il existe des dimensions optimales permettant de s'approcher de ces limites. Le second axe de recherche a consisté à étudier des AEP fonctionnant à 2,45 GHz pour des implants biomédicaux. Celles-ci sont imprimées sur de nouveaux types de substrat pour avoir une meilleure résolution de trace métallique favorisant une réduction de l'encombrement, et une intégration facilitant ainsi les interconnexions avec les frontaux RF. Le challenge consiste à maximiser les performances de ces antennes. Plusieurs prototypes ont été réalisés pour valider les simulations.

C’est dans la course au débit que de nouveaux systèmes de communications sans fil sont proposés aujourd’hui afin de répondre à cette demande. Il n’existe pas de technologie ou de standard unique pour remplacer toutes les autres technologies radio tout en satisfaisant l’ensemble des besoins de services et d’usages. Les futurs systèmes de communications devront donc permettre l’interopérabilité entre les dif- férents standards au niveau européen et mondial. L’émergence des technologies de la radio intelligente constitue aujourd’hui une solution originale et prometteuse pour répondre à ce challenge. Cependant, le déploiement de ces systèmes soulève encore de nombreux défis techniques notamment au niveau des antennes. Ces dernières doivent en particulier être capables de modifier leurs réponses en fréquences ou bien avoir une très large bande tout en minimisant la déformation des formes d’ondes. Elles doivent répondre aux besoins de cohabitation multi-systèmes et de miniaturisation. Or la miniaturisation et la largeur de bande sont limités par des contraintes physiques et les caractéristiques des matériaux les constituant. Les métamatériaux, des composites électromagnétiques artificiels, peuvent permettre la conception d’éléments rayonnants pour la radio intelligente avec un plus grand degré de liberté et à moindre coût. Cependant l’analyse de l’association des métamatériaux à des antennes ou éléments rayonnants n’est pas aisé, surtout quand les antennes prennent une forme arbitraire. Pour adresser ces challenges les techniques classiques de conception d’antennes ne sont pas suffisantes. Pour cela, nous proposons dans ce travail une approche basée sur la conception modale utilisant la théorie des modes caractéristiques. Cette approche démontre un potentiel remarquable dans la conception des antennes électriquement petites ainsi les antennes basées/inspirées des métamatériaux. En outre, l’évaluation des performances d’antennes à formes arbitraires en fonction des paramètres géométriques à été démontré sans considération d’une excitation prédéfinie. Ceci offre un énorme avantage pour les techniques basées sur l’optimisation des formes d’antennes. Finalement, une antenne très large bande dédiée au sondage du spectre est présentée. L’approche modale a été utilisée afin de garantir un diagramme du rayonnement stable sur toute la bande de fréquence ainsi qu’une bonne efficacité dans le régime électriquement petit. Plusieurs validations expérimentales sont également présentées. / The rise of wireless communication systems and the big demand of high bit rate links have entailed researches to lie over new communications systems. With this diversity of wireless systems, flexibility for operating between different standards is strongly needed. Cognitive radio (CR) consist the future system that can offer this flexibility. The new features of CRs remains many challenges to their antennas. Miniaturization, isolation and bandwidth improvement, are all real needs and effective challenges. Especially when the geometry of the antenna become more complex in order to fit the terminal chassis. The use of metamaterials (MTM) has been introduced to overcome physics limitations in order to undertake these needs. The analysis of MTM in presence of radiating elements such antennas prove to be a challenge. In this thesis, an new approach to address these challenges is proposed. It is based on a modal concept using the theory of characteristic modes (TCM). It proves to be useful to analyse and design of electrically small antenna (ESA), metamaterial-inspired antennas and metamaterial-based antennas. Furthermore, the same approach is used to evaluate the antenna performances when surrounded by complex artificial materials by proposing closed formulas for the quality factor. This remains into a huge advantage in the antenna shape optimisation in the antenna industry. As a proof of concept, an extremely-wide-band antenna for underlay CR (sensing antenna) is developed using the proposed approach in order to have stable radiation pattern an high efficiency in the electrically small regime. An experimental validation of the performances of all the presented designs is also provided.

Les méta-surfaces permettent de contrôler efficacement es rayonnements électromagnétiques en manipulant la phase, l'amplitude et la polarisation des ondes. Pour de nombreuses applications, telles que des fonctions d’agilité, de commutations et de détection, des surfaces de haute performance sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est d'explorer des méthodes innovantes permettant d'améliorer les facteurs de qualité des méta-surfaces dans les domaines micro-ondes et optique. La limitation des méta-surfaces est généralement liée aux pertes par rayonnement et à l'absorption non radiative. L'étude se concentre sur des solutions permettant la suppression des pertes de rayonnement en utilisant des concepts de mode sombre et de résonance de Fano. Un mécanisme d'excitation direct de mode sombre dans un résonateur individuel basé sur l’adaptation de symétrie est proposé. La possibilité d'améliorer l'efficacité de la réponse magnétique en optique est présentée. L'analyse de l'excitation par résonance de Fano dans un système de résonateurs couplés identiques est également réalisée sur la base du formalisme de la théorie des modes couplés. Deux configurations générales correspondant à l'arrangement spatial symétrique et énantiomères des résonateurs sont considérées. Dans le premier cas, le système de cavité formé par les méta-surfaces très proches fournit des caractéristiques spectrales très étroites et une sensibilité efficace élevée par rapport aux cavités Fabry-Perot conventionnelles. Dans le second cas, les caractéristiques de conception permettent de contrôler la suppression des pertes de rayonnement, permettant d'augmenter considérablement le facteur de qualité de la résonance de Fano. / Metasurfaces allows an effective control of electromagnetic radiation by manipulating phase, amplitude and polarization of electromagnetic waves. For numerous applications including tunable, switchable and sensing functionalities, high performance metasurfaces are required. The goal of this thesis is to explore innovative methods enabling to improve the quality factors of metasurfaces in microwave and optical domains. The limitation of metasurfaces is generally related to radiation losses and non-radiative absorption. The study is focused on solutions allowing the suppression of radiative losses by using concepts of dark mode and Fano resonance. A direct dark mode excitation mechanism in individual resonator based on symmetry matching is proposed. The possibility to enhance magnetic response efficiency in optical frequency range is presented. Analysis of Fano resonance excitation in a system of identical coupled resonators is also performed on the basis of coupled mode theory formalism. Two general configurations are considered corresponding to symmetric and enantiomeric space arrangement of resonators. In the first case, cavity system formed by near-field coupled metasurfaces provides sharp spectral characteristics and high efficient sensitivity compared to conventional Fabry-Perot cavities. In the second case the design features enables to control suppression of radiation losses, allowing to considerably increase Fano resonance quality factor.

Actuellement, les objets communicants sans fils occupent une place prépondérante. Pour faciliter leur utilisation, ces objets sont de plus en plus petits et nécessitent de très petites antennes. Cette miniaturisation d’antennes implique forcément une détérioration de leurs performances. La conception d’antennes électriquement petites (AEP) nécessite une très bonne compréhension théorique des mécanismes électromagnétiques mis en jeu notamment quelles limites précises peut-on atteindre pour une AEP étant circonscrive dans un volume donné. Un des paramètres essentiels d’une AEP est son facteur de qualité intrinsèque qui est inversement proportionnel à sa bande passante en impédance. Ainsi, maximiser la bande passante en impédance d’une antenne consiste à minimiser son facteur de qualité. Face à ce problème, de nombreux travaux ont été développés pour déterminer les limites possibles pour des AEP. C’est dans ce cadre que s’inscrit le premier axe de recherche de la thèse : étudier le facteur de qualité d’AEP, afin de déterminer s’il existe des dimensions optimales permettant de s’approcher de ces limites. Le second axe de recherche a consisté à étudier des AEP fonctionnant à 2,45 GHz pour des implants biomédicaux. Celles-ci sont imprimées sur de nouveaux types de substrat pour avoir une meilleure résolution de trace métallique favorisant une réduction de l’encombrement, et une intégration facilitant ainsi les interconnexions avec les frontaux RF. Le challenge consiste à maximiser les performances de ces antennes. Plusieurs prototypes ont été réalisés pour valider les simulations. / Currently, wireless devices play an important role in everyday life. For ease-of-use, these devices are becoming smaller and require very small antennas. However, the size reduction of these antennas necessarily implies a degradation of their performance. Consequently, the design of electrically small antennas (ESA) requires a very good theoretical understanding of the electromagnetic phenomenon that takes place, especially in terms of accurate performance that can be expected for an ESA with given dimensions. An important parameter of an ESA is its intrinsic quality factor since it is inversely proportional to its impedance bandwidth. Indeed, maximizing the matching bandwidth of an antenna consists in minimizing its quality factor. Facing this problem, many researches have been developed to determine the possible limits of the quality factor of ESA. The first research axis of this thesis is to study the quality factor of ESA to determine whether optimal dimensions exist to approach the fundamental quality factor limits. The second part of the thesis studies miniature antennas for biomedical implants operating at 2.45 GHz. These antennas are printed on a specific microelectronic substrate to ensure a better resolution in terms of metallic traces in order to reduce the size and allow easier integration to facilitate interconnections with RF front-end. The challenge consists in maximizing the performance of these antennas. The presented results are supported by means of electromagnetic models and simulations on one hand. Also, several prototypes are fabricated to validate these simulations.

L'objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d'une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d'encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d'ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned'un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l'étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C'est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d'onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu'à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d'insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l'intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques.

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents: l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant. / In order to optimize the use of microcantilever in the way of chemical sensing, microporous sensitive coatings have been tried to detect ethanol, toluene and humidity. The use of microcantilever without sensitive coating have been performed and simple models has been made and permit to predict the response of microcantilever in different environments. These studies rely on the use of microcantilever within two different detection mode: the detection of mass variation of the sensor because of the sorption of species in sensitive coating; and the detection of the change of physical properties of the fluid.