Le contexte de cette thèse est la récupération d'énergie afin de rendre des capteurs autonomes. L'objectif de ce travail est de répondre à la problématique du couplage des microgénérateurs piézoélectriques résonants à la source de vibration mécanique. Cela nécessite de travailler à plus basse fréquence et sur des gammes de fréquences plus importantes. Pour travailler à plus basses fréquences, des poutres encastrées libres utilisant l'AlN comme matériau piézoélectrique ont été conçues, fabriquées et caractérisées. La possibilité de récupérer 0.6µW à 214Hz pour un volume de moins de 3mm3 a été prouvée. Comparées à la littérature, de très bonnes figures de mérite ont été démontrées. Pour travailler sur des gammes de fréquences plus importantes, une méthode innovante de raidissement non linéaire de la structure a été proposée et prouvée expérimentalement, avec une adaptation de la fréquence de résonance de plus de 50% en dessous de 500Hz

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche depuis mon recrutement aux fonctions de maître de conférences à l'Université Montpellier II en 2001. Cette activité est développée au sein de l'équipe « Microsystèmes », dans le département « Microélectronique » du LIRMM.<br />Le contenu de ce mémoire est organisé de façon à présenter pour chaque thème l'approche choisie et les résultats obtenus, en partant du dispositif élémentaire et en allant vers les aspects système, l'intégration et le test. Dans la section 2, je situe ces travaux dans leur contexte scientifique et dans leur chronologie afin à montrer l'évolution de notre démarche au fil des résultats obtenus. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des dispositifs élémentaires. Les aspects liés à la modélisation, au prototypage et à la caractérisation y sont développés. Nous avons travaillé sur deux principes de transduction : les capteurs piézorésistifs et les capteurs thermiques. Notre expérience dans le domaine de la fiabilité est également abordée. Le chapitre 4 concerne la conception de systèmes microélectroniques à base de MEMS. Nos contributions s'appuient sur la réalisation de deux systèmes intégrés CMOS : une boussole et un capteur d'accélération thermique. A travers ces deux exemples, je montre nos résultats à la fois sur le plan des performances obtenues sur ces systèmes et sur des aspects plus méthodologiques de conception de MEMS. Je développe à la fin du manuscrit les perspectives de ces travaux et l'orientation de mes recherches pour les prochaines années.

Il existe un besoin important de développer des capteurs intégrés à faible coût qui ne nécessitent pas de grandes performances. Les technologies de fabrications de MEMS avec un procédé CMOS monolithiques offrent un coût réduit de production collective. Cependant plusieurs verrous subsistent dans le développement de ce type de capteurs. Ce sont : la conception d'une interface de capteur robuste aux fortes dispersions de la technologie, le test à faible coût des parties mécaniques et la mise en boîtier. Cette thèse propose des solutions nouvelles qui adressent les deux premiers points. Elle est illustrée par le développement d'une micro boussole.<br />L'approche proposée part de l'optimisation de l'élément sensible, de l'évaluation de ses performances intrinsèques et de sa modélisation complète qui inclue les effets parasites.<br />Ensuite, les choix au niveau de l'interface sont expliqués et l'utilisation d'un environnement CAO est détaillée. Les solutions proposées permettent à l'électronique de s'auto ajuster ou s'auto étalonner au capteur. Enfin, l'évaluation des stratégies de test basées sur l'utilisation de stimuli électrothermiques montre leur efficacité sur un ensemble de défauts considérés. Nous<br />montrons que ces méthodes permettent un test à faibles coûts du capteur, intégré et en ligne.

Dans un contexte économique fortement concurrentiel, les sociétés productrices de systèmes surveillent les évolutions technologiques susceptibles de diminuer leurs coûts. En particulier, les récents progrès des techniques en microélectronique, permettent aujourd'hui la fabrication à faible coût de systèmes évolués qui associent sur une seule et même puce, des composants électromécaniques sensoriels et des composants électroniques de traitement. La technique de gravure du substrat par la face avant (FSBM) a été récemment ouverte aux concepteurs pour la fabrication de microstructures en compatibilité avec le procédé microélectronique CMOS. A ce jour, peu d'applications utilisant la déformation de structures réalisées à l'aide cette technologie ont été identifiées.<br />L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est le développement de méthodologies qui conduisent à la caractérisation de la technologie FSBM et à la conception de microsystèmes électromécaniques.<br />L'étude expérimentale d'une structure de test appelée "cantilever U-Shape" est présentée. Cette étude permet l'extraction des paramètres mécaniques qui ne sont pas caractérisés dans la cadre d'une utilisation traditionnelle de la technologie en microélectronique.<br />Afin de proposer aux concepteurs de MEMS des outils de simulation, le cantilever FSBM fait l'objet d'une modélisation qui s'appuie sur une étude théorique de poutres composites. Le codage de ces modèles dans le langage VHDL Analogique montre alors comment il est possible d'intégrer les composants mécaniques dans le flot de conception microélectronique.<br />L'utilisation conjointe des résultats de caractérisation et des modèles théoriques conduit finalement à l'évaluation de la structure "U-Shape" excitée par la force de Laplace en tant que capteur de champ magnétique. <br />En perspective à ces travaux, des solutions alternatives pour la mesure du champ magnétique à l'aide de microstructures sont proposées.

Ces activités de recherche sont principalement orientées vers la conception et la microstructuration des composants et microsystèmes à l'aide de technologies alternatives mais souvent complémentaires à la technologie Silicium. Elles comportent quatre périodes principales. En 1992, mes travaux de thèse au Laboratoire IXL de Bordeaux (devenu IMS) concernent la mise au point de dispositifs multi-capteurs sélectifs au méthane fiables, la technologie couche épaisse de sérigraphie ayant été utilisée pour la fabrication de ces microcapteurs. En 1996, lors d'un séjour post-doctoral en Allemagne à l'IMT Karlsruhe (Institut de MicroTechnologie), je m'intéresse aux microactionneurs piézoélectriques et m'initie à la technologie LIGA pour le développement d'un nouveau procédé technologique intégrant des microstructures sur un substrat piézoélectrique. En 1998, de retour au laboratoire IXL devenu ensuite IMS, je travaille à nouveau sur la technologie couches épaisses sérigraphiées avec des études sur l'influence de la porosité des couches et des interactions entre les éléments constituant les composants (électrodes, couches sensibles) sur les propriétés de composants. Puis en 2003, je me focalise plutôt sur les procédés de mise en œuvre de microstructures mobiles avec un nouveau procédé breveté dit de la couche sacrificielle et les applications en découlant. En parallèle avec ces études, une mise en valeur de matériaux novateurs de taille micrométrique ou nanométrique est réalisée avec le développement de composants basés sur des couches composites sérigraphiées. Enfin, depuis Juin 2012, une évolution naturelle vers l'électronique organique se fait puisque l'équipe PRIMS (Printed Microelectromechanical Systems) à laquelle je suis rattachée fait partie du groupe Electronique Organique et MEMS, et participe au LABEX AMADEUS et à l'EQUIPEX ELorprintec.

Augmenter la durée de vie d'une pile, voire s'en passer est aujourd'hui devenu une obligation pour les microsystèmes. En effet, à cette échelle, le remplacement des piles et leur rejet dans l'environnement sont problématiques. La voie préconisée pour répondre à cet enjeu est d'utiliser des sources d'énergie renouvelables (solaire, thermique et mécanique). Pour cela, nous proposons de développer une plateforme de récupération d'énergie multi-sources/multi-charges (MANAGY) capable de s'adapter à son environnement pour en extraire le maximum d'énergie et répondre à des applications diverses. L'architecture est constituée de chemins directs et de chemins indirects où l'énergie provenant des sources est d'abord transférée dans une unité de stockage avant d'être réutilisée par les charges du microsystème. L'utilisation de cette nouvelle architecture permet d'optimiser le transfert d'énergie entre sources et charges et améliore le rendement du système de 33%. Avant de développer une architecture multi-sources, nous avons cherché à améliorer le rendement de la source photovoltaïque (PV) qui, au vu de l'état de l'art, a la densité de puissance la plus élevée. La recherche du rendement maximum de la source PV revient à la recherche du point de puissance maximum (MPPT). Il existe pour chaque condition d'irradiance, de température, et d'énergie extraites un couple tension-courant permettant à la source de fournir un maximum de puissance (MPP). Grâce à l'utilisation de deux chemins de puissance, nous arrivons simultanément à créer une boucle de régulation faible puissance agissant sur le rapport cyclique du système de gestion d'énergie (MPPT) et une boucle de régulation de la tension de sortie agissant sur le transfert de l'énergie. La modélisation du système nous a permis de spécifier ses performances. Pour atteindre les performances requises, des architectures innovantes ont été réalisées qui ont fait l'objet de trois brevets. De plus, des blocs ne sont activés qu'aux instants de changement d'état du système et sont conçus, quand cela a été possible, avec des transistors fonctionnant en mode faible inversion. Toutes ces optimisations permettent au système de fonctionner sur une large plage de variation de l'éclairement (de conditions intérieures supérieures à 500 lux à extérieures) avec un rendement proche de 90%. / Enhancing the life time of battery or being able to work without it is today mandatory for microsystems. Most of systems are nowadays limited by the capacity of the embedded battery. Moreover the replacement and waste of baterries is no more possible at this scale. One way to achieve longer life time is the use of renewable energy sources (solar, thermal, or kinetic). This work proposes to develop a new energy harvesting platform with numerous sources and loads (MANAGY) able to adapt itself to the surrounding environment in order to extract the maximum of energy while answering to various of applications. The architecture is composed of directs and indirects power paths where the extracted energy coming from renewable sources is firstly transferred to a storage unit before being used by loads. This novel architecture makes it possible to optimize the energy transfer between sources and loads and to achieve a 33% gain. Before developing this architecture with numerous sources, we have searched to enhance the efficiency of the photovoltaic source which has the best power density at the state of the art. Looking for improving the efficiency of the PV source is the same as tracking the maximum power point (MPPT). There is for each irradiance, temperature and quantity of energy extracted a couple of voltage and current enabling the PV source to deliver the maximum of power (MPP). Thanks to the two power paths used we are able to create a low power feedback loop adjusting the duty cycle from the power management unit (MPPT) while having a second feedback loop optimizing the power transfer and regulating the output voltage. Thanks to a high level model we have specified the system performances. To achieve the performances required we have realized novel architectures protected through three patents. Moreover, blocs are only activated when the system changes its state and furthermore there are designs, when achievable, with transistors working in weak inversion. All these optimizations make the system working for a large range of irradiance (from inside conditions higher than 500 lux to outdoor conditions) with an efficiency close to 90%.

Certains problèmes d’audition trouvent leur origine dans des anomalies de transmission de l’énergie des vibrations acoustique par la chaîne des osselets de l’oreille moyenne. Il se pratique aujourd’hui des opérations chirurgicales visant à la reconstruire. Un outil permettant d’évaluer la qualité de transmission des vibrations par de la chaîne ossiculaire pendant l’opération apporterait une aide substantielle au praticien afin dans le but d’optimiser la configuration des osselets. Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la conception d’un capteur microsystème adapté à la mesure de l’amplitude de vibrations des osselets. Nous y avons particulièrement développé les travaux de modélisation de la structure mécanique du capteur. Il s’agit d’une structure communément employée pour les capteurs tactiles dont nous modélisons le comportement en régime harmonique. Dans une la deuxième partie nous présentons une étude d’optimisation du capteur en vue de son utilisation « tenu en main » par le chirurgien. Celle-ci repose notamment sur l’utilisation d’un modèle électrique équivalent de l’oreille moyenne et d’un logiciel d’optimisation multicritères. Nous présentons dans cette partie un concept de filtre mécanique des basses fréquences par l’utilisation des propriétés viscoélastiques des matériaux polymères. La dernière partie traite des travaux de réalisation des différents composants d’un capteur basé sur les matériaux polymères. Les travaux de réalisation et de test de membranes en résine SU8 y sont présentés ainsi que l’intégration de jauges en matériaux électroactifs chargés en nanoparticules. L’utilisation d’une technique de moule perdu pour réaliser la structure mécanique du capteur est discutée. / Acoustic transmission anomalies of the middle ear ossicular chain can result in hearing losses. Nowadays some surgical interventions allow significant hearing improvements by reconstructing the ossicular chain. A tool able to evaluate vibration transmission along the ossicular chain would be of great help to the surgeon. The work presented in this manuscript deals with the conception design of a MEMS sensor adapted suitable ftoor ossicle’s vibration amplitude measurement. Modelling of the sensor structure mechanical behaviour has been particularly developed. The presented structure which is similar to onethat widely used in tactile sensors conception design that wewas modelled ins the harmonic vibrating regime here.

Les actionneurs piézoélectriques sont très utilisés pour les systèmes de positionnement pour des tâches à l'échelle micro/nanométrique en raison de leur haute résolution (sub-micrométrique), leur grande bande passante, et une densité de force élevée. Cependant, ils sont caractérisés par des non-linéarités telles que l'hystérésis et la dérive lente, par une grande sensibilité à l’environnement, et pour certains par des comportements oscillatoires. Ces caractéristiques ont un impact considérable sur les tâches que ces actionneurs doivent effectuer et leur contrôle reste souvent difficile. Différents correcteurs robustes ont été développés pour contrôler les actionneurs piézoélectriques. Il s'agit notamment de l'approche grand gain, des approches H-inf, des approches de contrôle basée sur l'observation des perturbations, ...etc. Ces techniques ont démontré une amélioration significative des performances mais mènent souvent à des correcteurs d'ordre élevé qui sont difficiles à mettre en œuvre. Cette thèse consiste à développer des correcteurs pour des actionneurs piézoélectriques en combinant l'analyse d'intervalle et les techniques classiques de commande.Les avantages principaux d’utiliser des intervalles est qu'ils permettent de modéliser facilement les incertitudes paramétriques en les limitant par des bornes. Par ailleurs, les travaux existants démontrent qu’il est possible de synthétiser de manière plus simplifiée des correcteurs robustes d’ordre faible, c-à-d ordre inférieur à celui du modèle. L'état de l'art sur l'utilisation des techniques par intervalle pour la synthèse de correcteurs peut être présenté en deux catégories : les techniques par intervalle basées sur des fonctions de transfert, et les techniques par intervalle basées sur la représentation d’état. Les techniques par intervalle basées sur les fonctions de transfert sont actuellement limitées pour modéliser et synthétiser des correcteurs pour des systèmes monovariables incertains tandis que les techniques basées sur la représentation d'état sont bien adaptées pour des systèmes multivariables incertains. Néanmoins, ces travaux existants pour des systèmes multivariables sont limités aux modèles avec des matrices d'état et d'entrée de structures spéciales. En outre, elles ne portent que sur le degré de stabilité du système en boucle fermée et ne prennent pas donc en compte des spécifications sur les performances. Cette thèse développe des outils de synthèse de correcteurs robustes pour des systèmes multivariables à incertitudes paramétriques dans l’approche d’état par intervalle sans structure particulière et en considérant à priori des performances. Des validations expérimentales sur différents actionneurs piézoélectriques, et ce en commande en position et en force, sont efféctuées. Enfin, la thèse propose également l’extension des observateurs à entrée inconnue pour les systèmes par intervalle afin de compléter les techniques de commande proposées. / Piezoelectric actuators are widely used at micro/nanoscale because of their simpleconfiguration, high resolution (sub-nanometric), high speed (large bandwidth upto 1kHz), and high force density. However, they are characterized by some nonlinearitiessuch as hysteresis, internal friction and creep,...etc. These characteristicsconsiderably impact the dynamics of the piezoactuators which makes the controlof these systems not a trivial task. Various robust controllers have been developedto control piezoelectric actuators. These include high gain feedback approach, H1approach, disturbance observer based control approach,...etc. Those techniquesdemonstrated a significant improvement of the control performance, but they oftenderive controllers with high-order which are difficult for implementation. Tobypass this limitation, we focus on the thesis on combining interval analysis withclassical controller design techniques to obtain a low order controllers. The mainadvantage of intervals is that they permit to model parametric uncertainties easilyby bounding them. Furthermore, the process of modeling the system uncertaintiesby intervals makes the synthesis of robust controller with low order relatively easy.The state of the art on the use of interval techniques to design and derive robustcontrollers for uncertain system can be divided into two categories: intervaltransfer functions based approaches and interval state-space representation basedapproaches. Interval transfer functions based designs have been widely used tomodel and to control SISO (Single Input single Output) systems subjected to uncertainties.These approaches make the synthesis of robust controllers for suchsystems easy with providing good performance. However, the current work thatuse interval transfer functions are limited to systems in SISO case. In the otherside, the state-space based approaches have been shown to be well adapted tosynthesis robust controllers for multivariable systems. Nevertheless, the excitingworks are limited to systems with state and input matrices of special structures.Furthermore, they address only the degree of stability of the closed-loop systemwithout discussing performance specification. In order to make the design of robustcontroller using interval state-space approach possible for any interval state-spacestructure, this thesis will explore the interval state-space control design using robustpole assignment technique. This proposed approach will guarantee the stability and the desired performance of the closed-loop system also it allows to obtaina low order controller.For this matter, an algorithm based on Set Inversion Via Interval Analysis(SIVIA) combined with interval eigenvalues computation is proposed to seek for aset of robust gains. This recursive SIVIA-based algorithm allows to approximatewith subpaving the set solutions [K] that satisfy the inclusion of the eigenvaluesof the closed-loop system in a desired region in the complex plan. Furthermore,simple algorithms are proposed to find the optimal feedback gains among the rangeof robust gains [K] as well as the range of the gains that satisfy input constraints,all with the help of interval analysis. Finally, in order to improve the controllerperformance, we were directed our attention to nonlinear control approaches andespecially interval sliding mode control (ISMC) design using interval observers.The effectiveness of the proposed approaches are tested by a real experimentationon several platforms developed in our laboratory to achieve robust performance.

Les microalgues présentent un vrai potentiel d’innovation dans les principaux secteurs industriels tel que l’énergie, l’agroalimentaire, la cosmétique et la santé. Elles sont considérées comme étant la solution privilégiée pour répondre aux besoins énergétiques futurs et ainsi permettre une transition des énergies fossiles vers les énergies renouvelables. Néanmoins, les systèmes de production à grande échelle à partir de microalgues nécessitent encore des améliorations afin de les rendre économiquement compétitifs et durables tout en préservant l’environnement.Ainsi, l’objectif de cette thèse consiste à évaluer une nouvelle voie pour l’extraction de composés d’intérêt à partir de microalgues et de caractériser leur performance en termes d’efficacité d’extraction. L’utilisation combinée de champs électriques pulsés, et de compressions mécaniques (à travers un système microfluidique dédié) en tant que prétraitements à l’extraction de composés lipidiques, riches en énergie, produits par la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, a donc été étudiée. Les mécanismes mis en jeu, à l’échelle de la cellule, ont été mis en évidence.Ce projet de thèse s’est déroulé dans le contexte d’une collaboration entre les laboratoires SATIE de l’ENS Paris-Saclay et LGPM de CentraleSupélec Paris-Saclay.Les résultats obtenus ont permis de confirmer le potentiel des technologies utilisées dans l’amélioration du rendement d’extraction de l’huile algale. Cette étude démontre notamment le rôle important de la paroi cellulaire de l’algue en tant qu’obstacle à une extraction optimale. Une étude approfondie de sa réponse physiologique aux prétraitements et aux conditions de stress est proposée. / Microalgae have a real potential in the innovation of the main industrial sectors such as energy, food, cosmetics and health. They are considered as a promising solution to meet future energy needs and thus enable a transition from fossil to renewable energies. Nevertheless, large scale production systems using microalgae still need improvements to become economically competitive and sustainable while preserving the environment.Thus, the aim of this thesis is to evaluate an innovative approach for the extraction of compounds of interest from microalgae and characterize their performance in terms of extraction efficiency. The effect of combining pulsed electric fields and mechanical compressions (through a dedicated microfluidic system) as pretreatments for the extraction of lipids, energy-rich compounds produced by the microalga Chlamydomonas reinhardtii, was therefore studied. The mechanisms involved, at the cellular scale, were highlighted.This project took place in the context of a collaboration between the laboratories SATIE of ENS Paris-Saclay and LGPM of CentraleSupélec Paris-Saclay.The obtained results have confirmed the potential of the technologies to improve the algal oil extraction. Furthermore, this study demonstrates the important role of the algae’s cell wall as an obstacle to an optimal extraction. A comprehensive study of the microalgae’s physiological response to pretreatments and stress conditions is proposed.

Par leur pluridisciplinarité, les microtechnologies, et plus précisément la fabrication de micro-capteurs/actionneurs, nécessitent le développement des matériaux conventionnels de la microélectronique mais aussi l'intégration d'autres matériaux aussi divers que variés. Cette habilitation propose une synthèse des travaux de recherche consacrés au matériau de stSchiométrie générale SiNx déposé par dépôt chimique en phase vapeur (low pressure chemical vapour deposition LPCVD), et établit une prospective de recherche pour l'intégration des matériaux dans le cadre des microtechnologies. Dans une première partie, les propriétés des filières silane SiH4 et disilane Si2H6 ont été étudiées pour le dépôt LPCVD de films de silicium Si et de nitrure de silicium SiNx. La compréhension de la physico-chimie du dépôt LPCVD a mis en évidence la compétition entre les mécanismes de dépôt, de cristallisation "volumique" et "surfacique", et de nitruration. Au total, des relations semi-empiriques ont été établies entre les paramètres technologiques de dépôt et/ou de recuit, les cinétiques de dépôt et/ou de cristallisation, et les propriétés des films déposés (microstructure, cristallinité, stSchiométrie, indice de réfraction, contrainte mécanique et conductivité électrique). Finalement, la valorisation de cette étude a été faite au travers du développement de microsystèmes opto-électro-mécaniques (MOEMS). Dans une deuxième partie, la problématique du développement des matériaux dans le cadre des microtechnologies a été présentée. Elle a montré la nécessité des collaborations pluridisciplinaires et mis en avant l'aspect fabrication collective et/ou en grande série pour l'intégration des matériaux. Les potentialités en la matière des techniques de dépôt, d'implantation ionique et de microlithographie ont ainsi été étudiées en privilégiant le développement des matériaux de structure pour les microsystèmes opto-électro-mécaniques (MOEMS) et des matériaux de détection pour les microcapte urs chimiques à effet de champ (ChemFETs).