Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des contaminants de notre environnement et de notre alimentation. En raison de leur toxicité, la Commission européenne a réglementé leur teneur dans les denrées alimentaires et notamment dans les huiles. Les industriels des corps gras ont donc pour obligation de vérifier la conformité de leurs produits. Dans ce contexte, le groupe Lesieur souhaiterait développer un nouvel outil analytique rapide et portable. Ainsi, ce vaste projet de recherche vise à concevoir un microsystème électrophorétique capable d'analyser les HAP dans les huiles alimentaires. Première étude à s'inscrire dans ce projet, ce travail de thèse a donc consisté à développer de nouveaux protocoles analytiques. Dans une première partie, des méthodes de séparation des HAP ont été développées en électrophorèse capillaire (CE) modifiée par des cyclodextrines couplée à un détecteur de fluorescence induite par laser. En suivant des stratégies multivariées basées sur les plans d'expériences, deux méthodes de séparation ont été optimisées. Les huit HAP communs aux listes établies par l'agence de protection de l'environnement des Etats-Unis et l'agence européenne de sécurité sanitaire des aliments ont été séparés en moins de 7 min et dix-neuf HAP, également classés par ces deux organismes, ont été analysés en moins de 18 min. Ces méthodes de séparation ont été appliquées avec succès à des extraits d'huile dopés. Dans une deuxième partie, il a été question de transférer la méthode d'analyse des huit HAP au format microsystèmes. La principale difficulté rencontrée a été le manque de sensibilité du système de détection couplé aux puces. Le premier objectif a donc été d'optimiser les quantités d'échantillon injectées et les paramètres de la détection avec un composé modèle dans un tampon borate. Cependant, seulement quatre HAP sur les dix-neuf étudiés précédemment en CE ont pu être détectés. Toutefois, dans les conditions optimisées par le plan d'expériences, ils étaient séparés en moins de 4 min. Enfin, différents polymères à empreintes moléculaires (MIP) ont été synthétisés en vue d'extraire sélectivement les HAP des huiles. Après un criblage des conditions de synthèse, la sélectivité de chaque MIP a été évaluée en milieu pur en comparant sa capacité de rétention avec celle d'un polymère non-imprimé. Les huit HAP communs aux deux listes ont finalement pu être extraits sélectivement à partir d'huiles de tournesol, mais avec des rendements d'extraction encore insuffisants et qui nécessitent une amélioration de la procédure d'extraction.

La menace d'une attaque bactériologique massive et létale visant les armées ou les populations civiles ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner à une attaque bactériologique est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de cette attaque. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables, peu chères, facilement manipulables est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes en fonction d'objectifs initialement formulés en termes de sensibilité et de limite de détection. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique déposée sur sa surface, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive positionnée à l'encastrement de la membrane. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement ainsi que la fabrication de l'électronique de détection associée. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet de mettre en relief les principaux résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Le premier point réside dans la démonstration de la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif au sein d'une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : * rendre l'aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; * réduire les coûts de maintenance ; * alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d'éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l'effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avioniques. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de " monitoring " ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques extraites d'ATR72 et des structures sandwichs en matériaux composites. Différentes solutions d'intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l'architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d'intéret. Une nouvelle vision de l'électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation " universelle " de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès.

Vu le développement important des micro-systèmes, leur utilisation sous forme de nappes dans les systèmes de commande-contrôle critiques est une vraie opportunité. Cela soulève néanmoins des défis, parmi lesquels, la définition d'un système de communication à haut niveau d'intégrité. <br />L'étude que nous avons effectuée sur des réseaux standard montre que les protections classiques à base de codes CRC ne permettent pas d'obtenir le niveau d'intégrité visé. <br />Pour l'atteindre, nous avons proposé une solution originale - fonction de contrôle évolutive - qui tire profit du fait que, pour les systèmes de commande-contrôle envisagés (systèmes à dynamique lente), l'intégrité est à considérer sur un lot de messages et non sur un seul message. La solution proposée a ensuite été validée via des simulations Matlab-Simulink. <br />Le cas d'étude utilisé est celui de systèmes de commande de vol du futur, en vue de pouvoir commander des nappes de milliers de micro-surfaces tels que des micro-spoilers.

Les réseaux de capteurs communiquant sans fil offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'application de surveillance de santé de structures, et particulièrement dans le secteur aéronautique. Cependant les capteurs qui constituent chaque noeud du réseau ne disposent pas de ressources énergétiques permanentes et leur autonomie énergétique sur de longues périodes est un problème. Avec la réduction de la consommation des composants électroniques et des capteurs, une solution possible et explorée depuis une dizaine d'années par nombreuses équipes consiste à récupérer l'énergie disponible dans son environnement, de la stocker et la gérer pour alimenter le capteur. Nous proposons dans cette thèse d'exploiter le potentiel énergétique des vibrations mécaniques d'une structure aéronautique pour alimenter un capteur de surveillance de santé de structure aéronautique. Notre contribution porte sur la conception et l'intégration sur silicium d'un générateur piézoélectrique miniature et d'un micro dispositif de stockage capacitif. Concernant le générateur piézoélectrique, l'élaboration d'un modèle à éléments finis (COMSOL) couplées avec une description SPICE du circuit de charge, a permis de concevoir - une structure optimisée consistant en 4 poutres monomorphes (Si/PZT) capable de générer des puissance électrique > ?W et des tension > V en dépit de puissance mécaniques incidentes faibles : vibrations de 0,1g-0,5g @40-80 Hz. Ce dispositif a ensuite été réalisé sur silicium à l'aide de technologies MEMS et de l'usinage laser femtoseconde. Le dispositif de stockage conçu et intégré sur silicium est un condensateur à double couche électrochimique. Les différentes briques technologiques développées concernent l'optimisation des géométries d'électrodes, le dépôt de la matière active et l'encapsulation hermétique de l'électrolyte organique en atmosphère anhydre. Un modèle VHDL-AMS des deux éléments (récupérateur et stockage) réalisés est proposé et une simulation du systè me sur un cas d'utilisation simple est comparée à l'expérience.

L'analyse chimique est indispensable à de nombreuses étapes de la mise au point et dusuivi des procédés de retraitement des combustibles nucléaires usés, de la gestion des déchetsnucléaires, ou encore de l’optimisation des combustibles du futur. Le cycle global d’analysecomprend généralement plusieurs étapes de séparations chimiques longues, manuelles etdifficiles à mettre en oeuvre en raison de leur confinement en boite à gants. Il apparaîtaujourd’hui nécessaire de proposer des solutions innovantes et viables dans le butd’automatiser ces étapes mais aussi de réduire le volume de déchets radioactifs en fin de cycleanalytique. Une solution est alors la conception de plateformes analytiques miniaturiséesautomatisées et jetables.L’objectif de cette thèse est de concevoir un système miniaturisé alternatif à lapremière étape actuelle d’analyse des combustibles usés séparant, par chromatographied’échange d’ions, l’Uranium et le Plutonium des autres éléments constituant l’échantillon. Cesystème doit permettre à la fois de conserver les performances analytiques du processusactuel, de réduire drastiquement l’exposition des expérimentateurs par l’automatisation, ainsique le volume de déchets produits en fin de cycle analytique. Ainsi, la séparation a étéimplantée sur un microsystème jetable en plastique (COC), au design spécialement adapté àl’automatisation : un lab-on-CD.Le prototype développé intègre une micro-colonne séparative d’échange d’anionsremplie d’un polymère monolithique dont la synthèse in-situ ainsi que la fonctionnalisation desurface ont été optimisées spécifiquement pour la séparation voulue. Le développement duprotocole de séparation adapté à ces micro-colonnes a été réalisé à l’aide d’un outil desimulation de l’élution des différents éléments d’intérêts. Cet outil permet de prévoir lagéométrie de la colonne (section et longueur) afin d’obtenir, en fonction de l’échantillon, desfractions de collecte de l’Uranium et du Plutonium pures.Finalement, le prototype actuel est capable de conduire simultanément 4 séparationsde façon automatisée et permet de réduire à la fois le nombre de manipulations, le tempsd’analyse mais aussi de diviser approximativement par 1000 le volume des déchets liquidesgénérés. / The chemical analysis of spent nuclear fuels is essential to design future nuclear fuelscycle and reprocessing methods but also for waste management. The analysis cycle consistsof several chemical separation steps which are time consuming and difficult to implement dueto confinement in glove boxes. It is required that the separation steps be automated and thatthe volume of radioactive waste generated be reduced. The design of automated, miniaturizedand disposable analytical platforms should fulfill these requirements.This project aims to provide an alternative to the first analytical step of the spent fuelsanalysis: the chromatographic separation of Uranium and Plutonium from the minor actinidesand fission products.The goal is to design a miniaturized platform showing analytical performancesequivalent to the current process, and to reduce both the exposure of workers throughautomation, and the volume of waste produced at the end of the analysis cycle. Thus, theseparation has been implemented on a disposable plastic microsystem (COC), specificallydesigned for automation: a lab on a Compact Disk or lab-on-CD.The developed prototype incorporates an anion-exchange monolithic micro-columnwhose in-situ synthesis as well as surface functionalization have been optimized specificallyfor the desired separation. The development of an adapted separation protocol was carried outusing a simulation tool modeling the elution of the various elements of interest. This tool isable to predict the column geometry (length and cross section) suited to obtain pure fractionsof Uranium and Plutonium as a function of the sample composition.Finally, the prototype is able to automatically carry out four separationssimultaneously reducing the number of manipulations, the analysis time and reducing thevolume of liquid waste by a factor of 1000.

Dans le cadre de la thèse des modèles physico-mathématiques pour des microsystèmes électromécaniques avec une permittivité générale sont développés et analysés par des méthodes mathématiques modernes du domaine des équations aux dérivées partielles. En particulier ces systèmes sont à frontière libre et pour conséquence difficiles à traiter. Des méthodes numériques ont été développées pour valider les résultats analytiques obtenus. / In the framework of this thesis physical/mathematical models for microelectromechanical systems with general permittivity have been developed and analysed with modern mathematical methods from the domain of partial differential equations. In particular these systems are moving boundary problems and thus difficult to handle. Numerical methods have been developed in order to validate the obtained analytical results.

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche, réalisées principalement au sein du département Minacom du laboratoire XLIM. Fortement multidisciplinaires, elles sont orientées vers la réalisation de dispositifs et systèmes originaux (intégration des matériaux innovants ou développement des dispositifs MEMS pour l'optique) dédiés à la microélectronique (basses et hautes fréquences) et au domaine de l'optique. Après une première partie résumant l'ensemble des activités de recherche et d'encadrement doctoral, la deuxième partie du manuscrit est dédiée à la présentation explicite des travaux de recherche. Tout d'abord, nous présentons le développement des composants MOEMS (ou MEMS optiques) et leur intégration (comme modulateurs actifs et, en même temps, miroirs de fond de cavité) dans des systèmes lasers à fibre. Nous montrons que l'association de ces modulateurs compacts et rapides au déclenchement de cavités lasers courtes, permet d'obtenir des impulsions laser très courtes, en régime nanoseconde. Ces microcomposants offrent un fort potentiel de miniaturisation et de réduction du coût des sources lasers impulsionnelles à fibre optique et montrent également leur capacité à atteindre des fréquences de fonctionnement supérieures au mégahertz, compatible au régime à verrouillage de modes d'une cavité laser. Leur robustesse et leur faible niveau d'activation (10 V-50 V) en font de bons candidats pour remplacer les solutions de modulations actuels (électro- ou acousto-optiques). Par la suite, nos recherches se sont étendues à l'association des sources lasers avec les propriétés remarquables des dispositifs MOEMS (compacité, faibles pertes d'insertion, achromaticité etc.) pour créer des systèmes lasers impulsionnels complexes : lasers fibrés avec des impulsions nanosecondes de forte puissance crête avec fréquences de récurrence ajustable, systèmes lasers bi- longueur d'onde, système de sélectivité spectrale en utilisant une source de continuum et une matrice de micro- miroirs, multiplexage temporel et spectral de sources lasers à MOEMS pour un fonctionnement à haute cadence etc. Les résultats obtenus permettent d'envisager des développements innovants dans des domaines comme la bio- photoniques (diagnostic ou tri cellulaire, tomographie optique cohérente), télécommunications, microscopie confocale, radar optique, etc. La suite du travail présenté dans ce mémoire concerne la conception et la fabrication de dispositifs reconfigurables pour la microélectronique basses et hautes fréquences (du DC aux fréquences THz) basés sur la transition réversible semi-conducteur- métal (Metal- Insulator Transition - MIT ou transition de Mott) d'un matériau " intelligent " : le dioxyde de vanadium, VO2. Actuellement, les matériaux intelligents font l'objet de beaucoup d'attention de la part de la communauté scientifique à cause de leurs caractères évolutifs et adaptatifs qui font d'eux des candidats potentiels pour de nombreuses applications (transmission de l'information, optoélectronique, matériaux artificiels). Nous avons utilisé les propriétés exceptionnels du matériau VO2 en couches minces pour concevoir et développer de nouveaux concepts de commutateurs et de dispositifs rapides fonctionnant dans les domaines DC, RF -micro-ondes, Térahertz et optique. Nous montrons que dans le couches minces de VO2 obtenus par ablation laser (PLD) ou par évaporation à faisceaux d'électrons, cette transition MIT est accompagnée par un changement rapide et remarquable des propriétés électriques et optiques du matériau (e.g. changement de quatre à cinq ordres de grandeur de résistivité entre les deux états). La transition MIT dans le matériau VO2 peut être initiée de différentes manières : thermiquement, électriquement ou optiquement. Dans un premier temps, nous exploitons l'important changement des propriétés électriques/ diélectriques de ce matériau soumis à un actionnement thermique et électrique pour réaliser des commutateurs micro-ondes en technologie coplanaire, et ensuite des dispositifs plus complexes comme des limiteurs de puissance large bande, des filtres micro-ondes à rejection de bande et à fréquences accordables ou encore des composants hybrides type métamatériaux accordables dans le domaine THz. Les composants intégrant le matériau VO2 présentent des propriétés intéressantes, notamment sur le plan des caractéristiques électriques ou ils montrent un comportement très large bande et de fortes isolations. Ils peuvent se positionner comme des solutions alternatives intéressantes aux technologies classiques (semi-conducteurs et dispositifs électromécaniques) utilisées dans la fabrication de composants millimétriques et submillimétriques. A un niveau plus fondamental (mais avec des applications potentiels très intéressantes), nous avons caractérisé les propriétés électriques fortement non-linéaires des couches minces de VO2 (apparition du phénomène de résistance négative différentielle (NDR) dans leurs caractéristiques courant-tension) et nous avons mis en évidence, la génération d'auto-oscillations électriques dans des dispositifs à base de films de VO2. Ces résultats nous permettent d'envisager dans un futur proche plusieurs directions de recherche innovantes basées sur l'utilisation des matériaux présentant des transitions MIT ou des transitions de phase, sous la forme de couches minces ou de nanostructures (nano-agrégats, nano-fils etc.). La dernière partie du mémoire est dédié aux perspectives de recherche à moyen et long terme en systématisant les directions de recherches que nous poursuivrons dans les prochaines années autour de l'étude et l'intégration de matériaux à propriétés accordables (couches minces ou nanostructures) dans des dispositifs innovants pour des applications comme le traitement de l'information, l'énergie ou la détection de grandeurs physiques variées.

La caractérisation juste et reproductible en isotopie et en concentration des radioéléments est l’une des thématiques essentielles des laboratoires d’analyse dans le domaine du nucléaire. Afin de minimiser les temps de manipulation en boite à gants des personnels et la production de déchets radioactifs liés à l’analyse de combustibles nucléaires, il est nécessaire de proposer des solutions efficaces et innovantes. Depuis quelques années, la miniaturisation des systèmes séparatifs constitue l’un des axes de développement majeurs de la chimie analytique et ces microsystèmes constituent certainement une des solutions pour répondre aux exigences de l’analyse nucléaire. Ce travail a pour objectif la conception d’une plateforme analytique miniaturisée et à usage unique, dédiée a la séparation des lanthanides, issus des combustibles usés, en amont de leur analyse par spectrométrie de masse. Destiné à remplacer une étape de séparation chromatographique au centre d’un processus analytique de trois étapes, le nouveau protocole basé sur l’isotachophorèse (ITP) doit satisfaire un cahier des charges précis. Les propriétés de complexation des lanthanides ont d’abord été exploitées afin d’obtenir avec un agent chélatant unique et rigoureusement sélectionné, l’acide 2-hydroxy-2-methylbutyrique (HMBA), la sélectivité intra période nécessaire à leur séparation complète par ITP. Basées sur des modèles théoriques existants, des études complémentaires, notamment des paramètres influençant la résolution, ont permis l’amélioration des performances globales du système ainsi que son dimensionnement. Pour réduire drastiquement le volume de déchets liquides secondaires (solutions de rinçage) et la manipulation de matériaux et de matériels radioactifs, le protocole a été implanté sur un microsystème polymérique jetable en COC, spécialement développé pour cette application. Ce microsystème a ensuite été couplé à un spectromètre de masse a multi collection et source à plasma à couplage inductif pour mesurer les rapports isotopiques / The accurate and reproducible characterization of radioactive solutions in isotope composition and concentration is an essential topic for analytical laboratories in the nuclear field. In order to reduce manipulation time in glove box and production of contaminated wastes, it is necessary to propose innovative and efficient solutions for these analyses. Since few years, microchips are a major field of development in analytical chemistry and those devices could provide a solution which fits the needs of nuclear industry. The aim of this work is to design a disposable analytical micro-device devoted to lanthanide separation from spent nuclear fuel before their analysis in mass spectrometry. Designed to be used in place of a separation process by liquid chromatography which is involved in a three step protocol, the new protocol based on isotachophoresis (ITP) keeps compatible with the other two steps. The complete separation of lanthanides by ITP was obtained by the use of only one chelating compound rigorously selected: the 2-hydroxy 2-methyl butyric acid (HMBA). The main parameters involved in solute resolution were defined from the theoretical models of ITP and experimental studies of the influence of these parameters allowed to optimize the geometry of the system and to improve its performances. To suppress cleaning of the system and, consequently, to strongly reduce both liquid waste volume and handling radioactive material, the ITP protocol was transferred in a polymeric (COC) disposable microchip especially developed for this purpose

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : - rendre l’aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; - réduire les coûts de maintenance ; - alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d’éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion, délaminages etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l’effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avions. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de « monitoring » ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques métalliques et des structures en matériaux composites simples/sandwichs extraites d’avions Airbus et ATR. Différentes solutions d’intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l’architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d’intéret. Une nouvelle vision de l’électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation « universelle » de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès / Structural health monitoring (SHM) is certainly one of the key technologies required to provide the safety and the reliability of future aviation. Based on non-destructive testing, current on the ground periodical structural integrity inspections showed their limit as evidenced by the Columbia tragedy. For the time being, structural health monitoring technology has reached a good technology readiness level (TRL). However, the integration of these solutions into future aerospace vehicle will require advanced and innovative system architecture. Further, improved SHM techniques and alleged assessment algorithm will be necessary to ensure an embedded integration, as well as to fully exploit their sensing capability. For now, most of high critical embedded systems are based on federate architectures, where each calculator is dedicated to a specific function and to a unique kind of sensor. By consequence, the integration on the field of conventional SHM solutions is highly difficult due to the scale and the weight of the global electronics systems. Based on a fully reconfigurable micro-system, I propose in this thesis, a novel SHM approach that combines into a unique System on Chip: • Sensors instrumentation and interfacing using reconfigurable analog circuits• Signal management and conditioning using reconfigurable digital electronics • Heath diagnostic assessment algorithms using an embedded CPUBased on elastic guided waves and electromechanical impedance analysis, the presented solution is capable through piezoelectric sensors to detect different kinds of abnormal events such as impacts. Moreover, using advanced wavelet transform and signature comparison algorithms, the system is also capable to detect mechanical damages such as corrosion, cracks or delaminations ; no matter if the probed structure is in simple composite, honeycomb composite or metallic alloy. The feasibility was proven using multiples specimens directly extracted from Airbus and ATR airplanes. To cover large areas, the system is fully scalable and accepts a hardware upgrade through multiple communication ports and protocols. Moreover, the versatility of inputs/outputs interface allows the exploitation of multiple sensors in order to locate and triangulate flaws