Un géoradar (GPR) effectue une détection non destructive d'objets enfouis, ou l'imagerie du sous-sol par transmission d'ondes électromagnétiques et la détection et l'analyse des réflexions. Le principal défi de GPR est la réduction de la portée de détection en raison de l'atténuation du signal grave causée par la conductivité du sous-sol qui devient plus sévère dans les hautes fréquences. Afin d'augmenter la portée de détection, GPR utilise des fréquences plus basses que les radars non-GPR et nécessite donc de plus grandes antennes qui peuvent limiter la portabilité du système. La plupart des systèmes utilisent des radars GPR à impulsion mais le FMCW (onde continue à fréquence modulée) radar peut présenter certains avantages tels que la versatilité de la fréquence, une maintenance réduite du système et une meilleure résolution de gamme. Les fréquences inférieures à 1 GHz ont d'abord été rares en radars de courte portée FMCW mais trouvent maintenant leur chemin de retour dans des systèmes comme ultra-large bande (UWB) pénétrant dans le sol des radars pour la détection des mines et ainsi que d'autres applications. Lorsque les mesures sont effectuées sur des véhicules, de grands appareils d'antenne ne sont pas un problème. La portabilité, cependant, peut devenir un problème dans les études géophysiques ou des travaux d'urgence dans laquelle on peut avoir besoin de transporter le système par des endroits accidentés, inexplorés et / ou dangereux sans accès aux véhicules. Des environnements inaccessibles peuvent nécessiter la manœuvrabilité à travers d’obstacles (montagnes, grottes, lacs, zones rocheuses). D’ailleurs, l’installation rapide du système est critique dans des conditions difficiles telles que les températures extrêmes, où le temps d'exposition est coûteux et le temps de mesure limité. Une solution pour améliorer la portabilité et la capacité de déploiement d'un système GPR est de réaliser un système complet sur un substrat qui est enroulable afin de permettre une transportation facile. L’électronique sur substrat flexible a déjà été utilisée dans des applications militaires et des sports en plein air. Actuellement, il y a quelques technologies disponibles pour réaliser l'électronique flexible qui ont été un thème majeur en recherche, chacune avec différents niveaux d'intégration. La technologie d'impression à jet d'encre offre une méthode efficace, polyvalente et rentable pour la réalisation de dispositifs flexibles. Dans ce travail, un système radar FMCW classique a été conçu et un travail présenté, pour la première fois, d’application de la technologie d'impression à jet d'encre sur un système de radar. Le système est appelé un système de radar monolithique portable dans lequel tous les agents actifs, passifs et l'antenne sont destinés à partager le même substrat enroulable continu. Ainsi, une intégration hybride est utilisée pour étudier la fiabilité et la performance du système complet enroulé autour d’un rayon serré. Plusieurs défis de conception d'un grand système ont été surmontés qui donneront un aperçu de nouveaux modèles au fur et à mesure que le niveau d'intégration à l'aide de la technologie d'impression à jet d'encre continue d’augmenter. / Flexible monolithic ultra-portable ground penetrating radar using inkjet printing technology A Ground Penetrating Radar (GPR) performs nondestructive detection of buried objects, or subsurface imaging by transmitting electromagnetic waves and detecting and analyzing the reflections. The main challenge of GPR is the reduction in detection range due to the severe signal attenuation that is caused by subsurface conductivity that becomes more severe at high frequencies. In order to increase the detection range, GPR uses lower frequencies than non-GPR radars and thus requires larger antennas that may limit system portability. Most GPR systems use impulse radars however the FMCW (frequency modulated continuous wave) radar can provide some advantages such as frequency versatility, reduced system maintenance and improved range resolution. Frequencies below 1 GHz were initially uncommon in short-range FMCW radars but are now finding their way back in systems such as ultra-wideband (UWB) ground penetrating radars for mine detection and as well as other applications. When measurements are performed on vehicles, large antenna fixtures are not a problem. Portability, however, can become an issue in geophysical studies or emergency work in which one may need to transport the system through rugged, unexplored and/or hazardous locations without vehicle access and perform measurements. Inaccessible environments may require climbing up and down, squeezing through, jumping over, crawling under, maneuvering through or swimming through obstacles (mountains, caves, lakes, rocky areas). In addition to transportation, rapid system setup is critical in difficult conditions such as freezing temperatures or extreme heat where exposure time is costly and limits measurement time. One solution to enhance the portability and deployability of a GPR system for wide area rugged measurements is to realize a complete system on a continuous substrate that is rollable around a reasonably small radius and storable in a scroll or poster-like fashion for easy backpack transportation. Electronics that can flex and bend have already used in military applications and for outdoor sporting gear. Currently, there are a few types of technology available to realize flexible electronics that have been a major topic of research, each with different levels of integration. Inkjet printing technology offers a cost effective, versatile and efficient method for realizing flexible devices. In this work a classical FMCW radar system is designed and an effort is made, for the first time, to apply inkjet printing technology to a radar system. The system is referred to as a portable monolithic radar system in which all actives, passives and antenna are meant to share the same continuous rollable substrate. In doing this, a medium level of integration is used to investigate limits of system complexity, resolution and ultra miniaturization for tight rollability. Various design challenges of a large system are overcome that will hopefully give insight to new designs as the integration level using inkjet printing technology increases.

Wireless power transfer (WPT) systems are important in many areas, such as medical, communication, transportation, and consumer electronics. The underlying WPT system is comprised of a transmitter (TX) and receiver (RX). For biomedical applications, such systems can be implemented on rigid or flexible substrates and can be implanted or wearable. The efficiency of a WPT system is based on power transfer efficiency (PTE). Many WPT system optimization techniques have been explored to achieve the highest PTE possible. These are based on either a figure-of-merit (FOM) approach, quality factor (Q-factor) maximization, or by sweeping values for coil geometries. Four WPT systems for biomedical applications are implemented with inductive coupling. The thesis later presents an optimization technique for finding the maximum PTE of a range of frequencies and coil shapes through frequency, geometry and shape sweeping. Five optimized TX coil designs for different operating frequencies are fabricated for three shapes: square, hexagonal, and octagonal planar-spirals. The corresponding RX is implemented on polyimide tape with ink-jet-print (IJP) silver. At 80 MHz, the maximum measured PTE achieved is 2.781% at a 10 mm distance in the air for square planar-spiral coils.

Le but de ce travail a été de développer des cellules à base d’oxyde nanoporeux photosensibilisé sur support plastique. Dans ce contexte, une nouvelle voie d’élaboration de couches de nanoparticules d’oxyde à basse température a été développée par irradiation ultraviolet sous air. Tout d’abord, des couches de dioxyde de titane ont été préparées par cette méthode, les films obtenus étant constitués d’un réseau mésoporeux de nanoparticules interconnectées de dioxyde de titane de structure anatase d’après les caractérisations effectuées par microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X, porosimétrie d’adsorption d’azote et d’intrusion de mercure et analyse thermogravimétrique. Après sensibilisation des couches par un complexe polypyridyle de ruthénium, les cellules photovoltaïques élaborées avec des films en contact avec un électrolyte liquide présentent des rendements de conversion énergétique compris entre 1,6 et 2,5 % suivant la nature des particules utilisées. Cette voie a ensuite été élargie à d’autres oxydes tels que l’oxyde de zinc et le dioxyde d’étain ainsi qu’à des oxydes en configuration « cœur-écorce ». Les rendements obtenus avec le dioxyde d’étain, 1,5 à 1,8%, sont tout à fait remarquables par rapport à ceux décrits dans la bibliographie pour des couches traitées à haute température. Les rendements plus élevés avec les couches traitées aux UV étant liés à une amélioration des tensions de circuit ouvert et des facteurs de forme, les phénomènes physiques régissant les performances de ces dispositifs ont été étudiés par différentes techniques, notamment la spectroscopie d’impédance électrochimique et le déclin de tension de circuit ouvert. Enfin, les performances électrochromes des films de dioxyde de titane traités aux UV ont été caractérisées sur support verre et plastique en présence d’un électrolyte liquide ionique, les efficacités de coloration étant comparables aux systèmes élaborés à haute température. / This work aimed to develop dye-sensitized solar cells on plastic substrates. In this context, a new low-temperature method to make nanoporous oxide layers based on ultraviolet irradiation under air was studied. First of all, titanium dioxide layers were prepared with this method; the films obtained were composed of a mesoporous network of interconnected anatase titanium dioxide nanoparticles as evidenced by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, nitrogen sorption and mercury porosimetries, and thermogravimetric analysis. After sensitizing the films with a ruthenium polypyridyl complex, the photovoltaic cells based on the films in contact with a liquid electrolyte gave conversion efficiencies between 1.6 and 2.5% depending on the nature of the particles used. This low-temperature method based on ultraviolet irradiation was then expanded to other oxides, such as zinc oxide and tin dioxide, as well as to core-shell structures. The conversion efficiencies obtained with tin dioxide were very high, i.e. 1.5 to 1.8%, compared to those usually reported in the literature for films sintered at high temperatures. The higher efficiencies obtained for the UV-treated films were related to higher open circuit potentials and higher fill factors. Therefore, the physical phenomena involved were investigated with various techniques; in particular, electrochemical impedance spectroscopy and open circuit voltage decay. Finally, the electrochromic performances of the low-temperature UV-processed nanoparticulate titanium dioxide films were studied on glass and plastic substrates with an ionic liquid. The coloration efficiencies were found to be comparable to those of high-temperature processed layers.

Une cellule photovoltaïque organique est constituée d’une couche photoabsorbante comprise entre deux électrodes dont l’une au moins est transparente. Généralement, les cellules sont illuminées au travers de l’électrode inférieure transparente d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO). Néanmoins, de nombreuses applications comme l’automobile nécessitant un éclairage par le dessus du module, nous nous sommes intéressés à l'élaboration de cellules photovoltaïques sur substrat flexible, avec l'électrode inférieure opaque et l'électrode transparente déposée sur le dessus de la cellule. Deux types d'architectures ont été développés. Dans le premier cas, la cellule solaire organique finale a été entièrement déposée par des techniques de dépôt en voie liquide avec les deux électrodes en PEDOT:PSS imprimées par jet d’encre. Dans le second cas, les cellules ont été élaborées sur électrode d'argent avec une électrode supérieure transparente tricouche oxyde/métal/oxyde (MoO3/Ag/MoO3) évaporée thermiquement. Les cellules solaires organiques réalisées selon la seconde architecture ont été connectées en série afin de créer un module photovoltaïque organique. Ce dernier a permis d’alimenter et de faire briller une LED. / An organic solar cell is made of a photoactive layer sandwiched between two electrodes among which one at least is transparent. Usually, solar cells are illuminated through the tin-doped indium oxide (ITO) bottom transparent electrode. Nevertheless, many applications like automobile requiring illumination from above the module, we designed photovoltaic cells on a flexible substrate, with an opaque bottom electrode and a top transparent one. Two types of architectures were developed. At first, the final organic solar cell was fully deposited by solution-process with both electrodes made of ink-jet printed PEDOT:PSS. Then the cells were elaborated on a silver bottom electrode with a transparent evaporated oxide/metal/oxide (MoO3/Ag/MoO3) top electrode. The organic solar cells made according to the second structure were connected in series to create an organic photovoltaic module. It allowed to power and shine a white LED.

Ce travail de thèse est principalement dédié à la mise en forme et à l’utilisation de nano-objets unidimensionnels comme matériaux d’électrodes transparentes. Les nanofils d’argent font partie des candidats les plus prometteurs pour le remplacement de l’oxyde d’indium-étain, actuellement le plus répandu dans les dispositifs commerciaux. La forte instabilité des nanofils d’argent à l’oxydation est néanmoins un problème critique puisque les électrodes deviennent moins performantes en peu de temps. En premier lieu, la triphénylphosphine a été utilisée comme agent inhibant l’oxydation. Contrairement aux électrodes non modifiées, celles-ci sont stables pendant plus de trois mois. Une deuxième partie est consacrée à l’utilisation de l’électrofilage pour élaborer des électrodes transparentes à base de nanofibres de matériaux conducteurs (nanofibres de cuivre, nanotubes de carbone, oxyde de graphène réduit). Enfin, une dernière partie concerne l’étude des propriétés mécaniques de nanofibres d’alcool polyvinylique par l’écoulement d’un fluide porteur dans une constriction réalisée en impression 3D. Cette méthode permet une analyse et une évaluation simple et rapide de la contrainte à la rupture des nanofibres, propriété difficilement accessible par des mesures mécaniques traditionnelles. / This PhD work deals mainly with the high scale organization and use of unidimensional nano-objects for making transparent electrodes. Among the candidates of choice for the replacement of indium tinoxide, the main material used in commercial devices, silver nanowires (Ag NW) are among the most promising. However, the tendency of silver nanowires to be quickly oxidized can severely affect their performances. Firstly, this drawback is circumvented through the use of triphenylphosphine (PPh3)as a protective agent. Unlike bare Ag NW electrodes, the PPh3 modified Ag NW electrodes are stable over three months. A second part is dedicated to the production of transparent electrodes via the electrospinning technique. Materials such as copper nanofibers, carbon nanotubes and reduced graphene oxide are investigated. The last part of the manuscript deals with the measurement of the mechanical properties of poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers. To do so, the flowing of a fluid in a3D-printed constriction is used. Usually determined with difficulty, the fracture strength of the nanofibers can be evaluated quickly at ease.

For biomedical electronics the compatibility to the biological environment should be well-considered. Therefore this paper evaluates dispensed carbon nanotubes (CNT's) on polyimide (PI) foil for conductive tracks and electrodes for flexible, biomedical applications. A CNT based ink is investigated regarding biocompatibility, flexibility, conductivity and suitability for electrode materials with contact to artificial body fluids. The testing methods comprise bending tests with resistance monitoring, adhesion tests and the utilization of dynamic fluidic and electrical load on dispensed structures. The CNT ink showed good bending properties up to 2653 cycles with an average sheet resistance of 32.5 Ohm/sq. A demonstration of biocompatibility using the adherent cell line HFFF2 resulted negatively. No delamination or dissolving effects occurred during exposure to 0.9 % sodium chloride solution.

Telemedical methods enable remote patient monitoring and healthcare at a distance. Besides, fitness tracker and sport watches are currently trending electronic products to generate awareness of health parameters in daily life. Especially, the long-term and continuous measurement of electrophysiological signals such as electrocardiogramm (ECG) becomes increasingly attractive for telemedical applications. Typically used disposable Ag/AgCl wet electrodes for good skin-electrode contact can potentially cause skin irritation and rashes. This paper presents a low cost, individual and flexible substrate for skin electrodes to be applied in future consumer electronic or professional applications. It enables an alternative contact method of the electrode to the skin by applying a pressure during the measurement and hence good contact. If no measurement is needed pressure can be released and the electrode loses skin contact. The 3D printed polymer module is 4 mm thick and comprises a pressure chamber, silver electrodes and insulation layer. The airtight printed membrane of flexible filament, which expands when inflating the chamber, may be printed in different thicknesses and shapes, much thinner than the present 4mm. This enables a high individuality for various applications. Pressure up to 150 kPa was applied and leads to dilatation of 1400 μm. First tests on skin when measuring electrodermal activity (EDA) show promising results for future applications.