Depuis 1965, la loi de Moore, loi de doublement du nombre de transistors dans une puce tous les deux ans, n’a jamais été contredite. II faut attendre septembre 2007 pour que son inventeur lui-même, Gordon Moore, ne la considère plus valide et estime sa fin dans les dix à quinze ans à venir. Le problème des limites physiques de la technologie CMOS actuelle est alors aujourd’hui posé : jusqu’où la miniaturisation peut-elle continuer? Combien d'atomes faut-il pour faire un transistor fonctionnel ? Y a-t-il d'autres matériaux que les semiconducteurs qui permettraient d'aller au delà des limites physiques, ou encore d'autres moyens de coder l'information de façon plus efficace? La technologie des transistors à un électron (SET, Single Electron Transistor) est une des solutions possible et semble très prometteuse. Bien souvent cantonné à un fonctionnement bien en dessous de la température ambiante, les premiers SETs métalliques démontrant un caractère typique de blocage de Coulomb à des températures dépassant 130 °C sont une des premières réussites du projet "SEDIMOS" ici à l'Université de Sherbrooke. Véritable couteau-suisse, le SET présente des caractéristiques électriques qui vont au delà de la technologie CMOS actuelle tout en pouvant copier cette dernière sans grande difficulté. Dans un circuit, il faut cependant lui adressé [i.e. adresser] certains problèmes tel [i.e. tels] qu’un faible courant de commande, un faible gain en tension et un délai important. Mais tous ces aléas peuvent être cependant contournés ou réduits par une conception adaptée de ces circuits. Cependant, il existe une difficulté à fabriquer de multiples SETs ayant des caractéristiques électriques similaires. En outre, les circuits peuvent exiger des SETs avec un haut niveau de performance. Souhaitant repousser les limites actuelles de la logique SET, le but de cette maîtrise est de réaliser un inverseur SET développant principalement les deux caractéristiques critiques mentionnées dans le paragraphe précédent. Sous un travail à température ambiante, voir supérieur, l'inverseur devra développer un gain en tension supérieur à l'unité. Les SET métalliques présentés dans ce travail sont fabriqués sur un substrat de silicium oxydé par oxydation sèche. Le procédé de fabrication utilisé est cependant compatible avec l'unité de fabrication finale du CMOS, Back End of Line (BEOL). Un coût réduit, un faible bilan thermique, et une amélioration de la densité d'intégration dans le cadre d'une production de masse de circuits hautement intégrés rendent ce procédé de fabrication très attrayant. L'objectif principal de cette maîtrise peut être divisé en 3 parties : (1) L'étude des paramètres électriques tels que les tension, gain, capacité d'attaque et puissance du circuit inverseur SET, (2) l'amélioration des performances de la logique SET grâce à la modification des paramètres physiques des SETs et de l'architecture de leurs circuits et (3) la présentation des résultats de mesures électriques.

Le transistor à ionisation par impact (I-MOS) est une nouvelle architecture présentant l'avantage de s'affranchir de la barrière des 60mV/dec à température ambiante, qui limite la pente sous le seuil de l'architecture MOSFET classique. Le I-MOS se présente comme une diode PiN dont la zone intrinsèque est partiellement recouverte par une grille. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances du I-MOS comme candidat potentiel à « l'après CMOS », à la fois du point de vue du dispositif unitaire et dans un environnement circuit. Nous avons étudié le dispositif par le biais de simulations TCAD, afin de comprendre le dispositif et d'analyser la physique mise en jeu dans ce transistor. Nous avons fabriqué nos dispositifs sur substrats SOI, Si1-xGexOI et GeOI et proposé un procédé innovant de réalisation du I-MOS. Les dispositifs réalisés ont été testés électriquement afin de vérifier les propriétés fondamentales du I-MOS (2mV/dec mesurés...) et de comparer les performances du I-MOS avec celles des MOSFET co-intégrés. Le fonctionnement des I-MOS en mode tunnel bande à bande a aussi été observé. Nous avons également développé un modèle analytique pour le I-MOS qui décrit correctement le fonctionnement électrique du dispositif. Ce modèle a ensuite été intégré dans un environnement SPICE pour réaliser des simulations de circuits à base de I-MOS.

Un défi à court terme pour les industriels de l’aéronautique est de concevoir des produits sûrs, fiables, compactes, basse consommation et à faible impact environnemental due à la forte concurrence et à l’augmentation des attentes des clients et des autorités de certification. Un défi à plus long terme pour ces organisations est de pérenniser leur savoir-faire et leur expertise qui sont menacés par le départ en retraite de générations d’experts, ingénieurs et techniciens. Relever ces défis n’est pas une tâche facile lorsque les produits concernés sont des systèmes mécatroniques embarqués tel que les systèmes d’actionnement électromécaniques. La conception de ces systèmes complexes nécessite l’intégration de savoirs très hétérogènes dû à l’interaction entre de nombreux métiers de l’ingénierie et entre les différentes lois de la physique qui les caractérisent. De plus, les systèmes mécatroniques embarqués sont constitués de nombreux composants interdépendants. Faire face à l’interdépendance des composants reste une tâche non-triviale et fondamentale du métier d’ingénieur. Ceci provoque des itérations coûteuses durant le cycle de conception et des solutions non-optimisées. Les techniques d’optimisation multidisciplinaire fournissent des fondements théoriques et des outils de calculs permettant l’optimisation de systèmes comportant un grand nombre de variables et des couplages multidisciplinaires. Dans le but d’utiliser ces techniques pour un dimensionnement rapide des produits mécatroniques, des tâches doivent être effectuées : représentation du savoir de conception, décomposition et coordination des modèles pour l’évaluation et l’optimisation des performances du système. Les modèles algébriques ont été choisis pour représenter les différents modèles de conception. Une nouvelle formulation d’optimisation multidisciplinaire est proposée. Elle permet des convergences rapides et s’avère robuste au changement d’échelle. Une approche basée sur la théorie des graphes et le calcul symbolique est proposée pour aider les ingénieurs à la mise en place de problèmes à grand nombre de variables et comportant des couplages multidisciplinaires. Une méthodologie de dimensionnement est présentée ainsi que l’outil logiciel associé. L’objectif principal est de permettre un dimensionnement global des systèmes mécatroniques en se souciant de la réutilisation du savoir et la prise de décision rapide. La méthodologie est illustrée sur un cas académique de système d’actionnement. Ensuite, des systèmes plus complexes sont étudiés. Tout d’abord, la conception d’un système d’actionnement de commandes de vol primaire est effectuée. Enfin, un système d’actionnement d’inverseur de poussée électrique est dimensionné / The critical short term challenge for contemporary aerospace industrial companies is to design safe, reliable, compact, low power consumption and low environmental impact products, forces driven by economic competition and the increasing expectations of customers and certification authorities. A long-term challenge for these organizations is to manage their knowledge and expertise heritage, which is jeopardized due to forthcoming retirement of the current generation of experts, engineers and technicians. Undertaking these challenges is particularly intricate when it comes to embedded mechatronic systems used in electro-mechanical actuation systems. The design of these complex systems involves heterogeneous knowledge due to the interface of multiple engineering specializations and the interacting physical laws that govern their behaviour. Additionally, embedded mechatronic systems are composed of several interdependent components and sub-systems. Dealing with interdependencies remains a non-trivial and fundamental aspect of modern engineering practice. This can result in costly iterations during the design process and final non-optimal solutions. Multidisciplinary System Design Optimization techniques provide theoretical foundations and computational tools for optimizing large and multidisciplinary systems. Tasks must be performed to apply such techniques for rapid initial sizing of mechatronic products: modelling the design knowledge, partitioning and coordinating the models for system performances analysis and optimization. Algebraic analysis functions are chosen to represent the design models. A new Multidisciplinary System Design Optimization formulation for fast and robust analysis is proposed. A theoretic graph approach using symbolic manipulation to assist designers in formulating large and multidisciplinary problems is outlined. A specific design methodology and its associated framework developed are presented. The general objective is to allow holistic sizing of mechatronic engineering systems with emphasis placed on model reusability and rapid decision making. The methodology is illustrated using a simple aerospace actuation system example. More complex actuation systems are then addressed. First, the design of an electro-mechanical primary flight control actuation system is examined, subsequently; the design methodology is applied to an electrical thrust reverser actuation system.

Ce travail s’inscrit dans un projet consistant à développer un prototype de capteur RF autonome et intelligent permettant la réalisation d’un réseau de capteurs sans fil dans un environnement industriel. Cette thèse traite de l’étude, la conception et la réalisation de la partie radiofréquence de la chaîne d’émission sans fils du capteur RF dans la bande ISM 863-870 MHz en technologie CMOS AMS 0.35µm. Cette chaîne inclut toutes les fonctions depuis l’oscillateur local jusqu’à l’amplificateur de puissance. L’émetteur occupe une surface de 0.22mm² et consomme environ 27mA sous une tension d’alimentation de 3.3V. De nombreux principes innovants ont été mis en œuvre et validés. Tous ces principes peuvent être facilement transposés à d’autres standards de communication et dans d’autres bandes de fréquences. Les résultats de simulations du dessin des masques vérifient complètement les spécifications et confirment les simulations. Une caractérisation expérimentale partielle valide les nouvelles architectures proposées. / This work joins in a project consisting in developing prototype of an autonomous and smart RF sensor allowing the realization of a wireless sensor network in an industrial environment. This thesis deals with the study, the design and the realization of the radio-frequency part of the transmitter using the 863-870 MHz ISM band and the CMOS AMS 0.35µm technology. This transmitter includes all the functions from the local oscillator to the power amplifier. The integrated circuit occupies a surface of 0.22mm² and consumes approximately 27mA under a supply voltage of 3.3V. Numerous innovative principles were implemented and validated. All these principles can be easily transposed into other standards of communication and in other frequency bands. The results of the post-layout simulation completely satisfy the specifications and confirm the simulations. Partial experimental characterization validates new architectures proposed.

Le but de ce travail était de développer des filtres passe-bande RF dans la technologie de PCB, avec trois objectifs principaux. Le premier objectif était de développer des formules de synthèse tosimplify la procédure de conception du filtre. Le deuxième était de parvenir à un rejet wideout bande sans modifier les caractéristiques de la bande de filtrage. Le troisième objectif est de contrôler la fréquence centrale du filtre en utilisant diode varicap. / The purpose of this work was to develop RF bandpass filters in PCB technology,with three main objectives. The first objective was to develop synthesis formulas tosimplify the design procedure of the filter. The second was to achieve wideout-of-band rejection without modifying the in-band filtering characteristics. Thethird objective was to control the center frequency of the filter by using varactordiode.The bandpass filter topology treated in this thesis is based on Stub-LoadedResonators (SLR). The main features of this filter topology were treated. Equivalentcircuits based on J-inverters and susceptance parameters were derived. Based onthese equivalent circuits, synthesis formulas were developed. Simulations werepresented to validate the synthesis theory. For a proof-of-concept, third orderstripline bandpass filters were designed and fabricated based on this synthesis.Analysis technique using odd- and even- mode was achieved on the SLR. Thusresonance odd- and even-mode conditions were derived. These conditions aim toeasily control the first spurious frequency. Moreover, to go further in improving theout-of-band rejection a new technique, called “U corner structure”, was developedand design rules were derived. Based on these design rules an extended out-of-bandrejection was achieved without any modification in the passband and by maintainingthe compactness of the filter. A first spurious frequency was localized at up to ninetimes the working frequency in the case of the Parallel-coupled Stub-Loadedresonator (PC-SLR) filter. Also, by applying this technique into the classicalparallel-coupled filter the first and second spurious frequencies were rejected. Toaddress the issue of tunable filters, the SLRs were correctly loaded by variablecapacitors (varactor diode). The center frequency of the PC-SLR filter was easilycontrolled by maintaining a large out-of-band rejection.