Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d’un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l’art présente d’abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d’un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm² à partir d’un diélectrique flexible de faible module d’Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm². La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm². La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d’adhérence d’électrodes sur PDMS conduisent au développement d’un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N. / This PhD work presents the design and realization of a 3D flexible force sensor that can be integrated in surgical gloves or tools to qualify and quantify the grip forces including normal and shear stress. A state of the art first presents the suitable technologies for this application. Then, the choice is focused on the design and dimensioning, using Hooke’s law, of a capacitive tri-axis sensor of 8 x 8 x 3 cells/cm² matrix from a flexible dielectric of low Young’s modulus around 1 MPa. Designed cells have a nearby nominal capacitance of 0.5 pF. A variation of 30% is expected at maximum force range of 100 N/cm². The aimed dynamic is 1 to 1000. It corresponds to a resolution of 0.15 fF or 100 mN/cm². The flexible sensor fabrication is tackled by taking into account the characterization of support materials, notably the Kapton, in a stream of microfabrication. Metallization and adhesion of electrodes on PDMS problems lead to the development of a process based on film transfer technology adapted to electrodes buried in PDMS. On the basis of ANSYS simulations, the operating physical principle is validated. They are confirmed by static and in charge electrical measurements of the tactile sensor for forces ranging from 10 mN to 20 N.

Un cadre théorique classique pour expliquer comment les mouvements volontaires sont générés et optimisés implique l'existence d'un modèle interne basé sur les conséquences sensorielles de ses propres actions. Le cervelet est souvent considéré comme une structure où ces modèles pourraient être efficacement stockés et mis-à-jour. Parmi tous les systèmes sensoriels, le système vestibulaire est probablement celui où la plus grande proportion de stimuli est auto-générés et pourtant peu étudié en conditions actifs. Pour appréhender le rôle du vestibulo-cervelet, nous avons enregistré des cellules de Purkinje du nodulus en condition active chez le rongeur, associé à l'enregistrement quantitatif des signaux inertiels produits par les mouvements de la tête. Cela a nécessité le développent d'outils de mesure adaptés au petit animal. Ces outils, absents du commerce, sont capable d'enregistrer, et cela sans aucun câble, les mouvements inertiels (accélération linéaire et vitesse angulaire) de celui ci offrant une représentation des informations vestibulaires. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que, au moins dans des conditions actives, les cellules de Purkinje présentent une sensibilité sélective à certaines composantes du mouvement de la tête. La diversité des réponses observées démontre de plus que chaque cellule possède son propre " champ récepteur vestibulaire ". Il a ainsi été montré que certaines cellules avaient un champ récepteur en coordonnées égocentriques et d'autres allocentriques. Cette distinction s'inscrit dans le problème général de la transformation par le cervelet des coordonnées vestibulaires et de la représentation de l'environnement. / A classical and theoretical explaining framework how voluntary movements are generated and optimized implies the existence of an internal model based on the sensory consequences of own actions. The cerebellum is often considered as a structure where the models could be effectively stored and made-to-day. Of all the sensory systems, the vestibular system is probably one where the largest proportion of stimuli are self-generated but yet little studied in active conditions. To understand the role of the vestibular-cerebellum, we recorded Purkinje cells from nodulus in active condition in rodents associated with quantitative recording of inertial signals produced by head motion. This required developing the measurement tools adapted to small animals. These tools, absent of trade, are capable of recording, without any cables, the inertial movement (linear acceleration and angular velocity) of this one as a representation of vestibular information. The results presented in this thesis show that, at least in active condition, Purkinje cells exhibit selective sensitivity to certain components of the head movement. The diversity of responses observed further demonstrates that each cell has its own "vestibular receptive field". It has thus been shown that some cells have a receptive field in egocentric coordinates while others allocentric. This results is part of the general problem of the coordinate transformation and of the environment representation by the vestibular cerebellum.

Les pièces de structure aéronautique utilisées dans l’aéronautique sont fabriquées en plusieurs étapes. Des étapes, comme le traitement thermique, génèrent des contraintes résiduelles. Les enlèvements de matière réalisés par les opérations d’usinage peuvent alors conduire à la réorganisation des contraintes résiduelles dans la matière et ainsi à la déformation de la pièce. La mesure in-situ de ces déformations devient nécessaire lorsque ce phénomène est étudié. Ces travaux de thèse abordent cette problématique dans le cadre du projet SIMP-Aero. L’objectif de ces travaux de thèse est d’adapter la méthode de corrélation d’images numériques à la mesure de la déformation de pièce pendant l’usinage, c’est-à-dire dans un centre d’usinage. Pour cela, plusieurs améliorations sont apportées à la méthode. Premièrement, les mouvements du système optique sont pris en compte afin que ceux-ci n’altère pas la qualité des mesures. Ensuite, les copeaux présents sur les images sont détectés et filtrés par un algorithme. Au final, la méthode développée permet de mesurer des champs de déplacement durant toute la séquence d’usinage, sans devoir l’interrompre, avec une incertitude de mesure de l’ordre du centième de millimètre. / Structural aluminum alloy parts used in aeronautics are manufactured in several steps, from forming processes and heat treatments to final machining. Some of the process steps induce residual stresses. The material removal during machining release these residual stresses and thus, leads to the part deformation. The in-situ measurement of these deformations becomes necessary when this phenomenon is studied. The present work address this problematic in the context of the ANR SIMP-Aero Project. It aims to define a reliable experimental technique dedicated to the measurement of part deformations during machining of large aeronautical parts. The backbone of the technique relies on Digital Image Correlation (DIC). Mainly as a consequence of the harsh constraints environment of machining, the customization of DIC is required. First, movements of the optical system are quantified and compensated for the proper measurement of the workpiece displacement. Then, the metal chips that fly between the observed surface and the acquisition system are detected and filtered by the algorithm. Finally, the developed method enables the measurement of displacement fields throughout the whole machining sequence, without interrupting it, and a measurement uncertainty of around one hundredth of a millimeter is ensured.

A l’échelle du micromètre, les forces de surface appliquées à l’objet deviennentprépondérantes par rapport aux forces volumiques. Dans le but de s’affranchirdu phénomène d’adhésion causé par ces effets d’échelle, la microrobotique sanscontact apparaît comme une voie prometteuse. Nos travaux sont à la jonctionentre la microrobotique et la chimie des surfaces. L’objectif de cette thèse est deproposer une méthode de micromanipulation innovante exploitant la chimie dessurfaces afin de contrôler les forces électrostatiques. Nous exploitons les chargesélectriques créées par les fonctions chimiques dépendantes du pH lorsqu’elles sontplacées en milieu liquide. La modélisation des interactions entre une surface et unmicro-objet fonctionnalisés repose sur l’exploitation du phénomène de la doublecouche électrique. Deux principes de fonctionnalisation de surface ont été utilisés;les monocouches auto-assemblées (APTES) qui sont facilement mises en oeuvreet les films de polymères (polyaniline, polypyrrole) par voie électrochimique quipermettent d’obtenir des dépôts localisés. Les résultats obtenus mettent en évidencel’intérêt de l’exploitation des forces électrostatiques d’origine chimique pour desapplications de micromanipulation. / On the micrometer scale, surface forces applied to the object are significant comparedto volume forces. In order to overcome the adhesion phenomenon caused by thesescale effects, contactless microrobotics appears promising. Our work is mergingwith microrobotics and chemistry of surfaces. The objective of this thesis is topropose a method of micromanipulation based on innovative surface chemistry tocontrol electrostatic forces. The principle is based on the electric charges generatedby pH dependent chemical functions when placed in liquid medium. Modeling ofthe interaction between a surface and a micro- functionalized object is based onthe exploitation of the phenomenon of the electrical double layer. Two surfacefunctionalization principles were used, (i) self-assembled monolayers (APTES),and (ii) electrodeposition of polymer films (polyaniline , polypyrrole) that enablelocalized deposits. The results highlight the interest of using electrostatic chemicalforces for micromanipulation applications.

Le faible encombrement, la stabilité, et la qualité spatiale du faisceau qu’ils délivrent expliquent le succès des systèmes laser fibrés. Dans le cadre des installations laser de puissance, ceux-ci sont utilisés pour générer et amplifier les impulsions mais restent limités à des énergies de l’ordre du nanojoule pour des impulsions nanosecondes. L’objectif de cette thèse est d’atteindre la gamme du millijoule par impulsion avec un niveau de performances compatible de l’injection de telles installations. Ainsi, les problématiques d’amplification et de transport fibré ont été traitées. Dans le premier cas, un système MOPA entièrement fibré basé sur une fibre effilée a permis de délivrer des impulsions de 10 ns et 500 µJ avec des caractéristiques temporelles, spectrales et spatiales en accord avec le cahier des charges. Pour la problématique de transport, et afin de minimiser les effets non linéaires, l’utilisation de fibres à cœur creux a été privilégiée. Une telle fibre, de 21 µm de diamètre de mode, a ainsi permis de transporter des impulsions de plus de 30 kW crête en minimisant les distorsions temporelles et spectrales. Enfin, en complément de ces deux problématiques, nous avons également identifié des briques technologiques permettant d’envisager une modification en profondeur de l’architecture des sources fibrées actuelles des grandes installations laser. L’utilisation d’une diode laser à dérive de fréquence a ainsi permis d’atteindre une énergie de 1,25 mJ pour des impulsions de 10 ns. La mise en forme spatiale fibrée du faisceau a également pu être réalisée pour des impulsions de l’ordre de 100 µJ grâce à une fibre optique microstructurée spécialement réalisée. / Compactness, stability and beam quality are some benefits of fiber lasers. In large scale laser facilities, those systems are already used to generate and amplify pulses but are limited to the nanojoule range. The goal of this thesis consists in building a millijoule range system satisfying large scale laser facility requirements. Amplification and beam delivery systems have been considered. In the first case, an all-fiber MOPA has been realized. Using a 32 µm mode field diameter tapered fiber, we amplified 10 ns pulses up to 500 µJ with excellent temporal, spectral and spatial properties. In a second step, we consider the fiber beam delivery of those pulses over 15 m. In order to minimize nonlinear effects, hollow-core fibers have been used. This way, thanks to a 21 µm mode field diameter fiber, 30 kW peak power nanosecond pulses have been delivered over 15 m with negligible temporal and spectral distortions. In addition of amplification and beam delivery, we also considered technological building blocks which could be used to modified actual fiber seeder architecture. Chirped laser diode has been used to generate pulses and allowed us to finally obtained 1,25 mJ with our MOPA system. Fiber spatial beam shaping has also been performed in the 100 µJ range thanks to a microstructured, single-mode, polarization maintaining fiber which delivers a coherent top-hat beam. Finally, this work confirms the great potential of fiber systems for high energy amplification and beam delivery for the next generation of large scale laser facilities seeder.

Pour réduire significativement les émissions de CO2 dans les moteurs à combustion interne, un levier majeur est la réduction des pertes thermiques pariétales lors de la combustion. Ces pertes présentent un pic de plusieurs MW/m2 près du point mort haut, et sont liées à des phénomènes complexes d'interaction flamme-paroi qui dépendent du mode de combustion. Afin de mieux appréhender les phénomènes associés, il est nécessaire de caractériser le flux thermique à des échelles temporelles inférieures à la milliseconde.Dans ces travaux, une machine à compression rapide et une cellule à précombustion à volume constant sont utilisées pour simuler les phénomènes de combustion rencontrés en moteurs. Des thermocouples à jonction fines permettent une mesure de flux thermique instantanée avec une résolution temporelle de 0.1 ms. Ces moyens d'essais permettent de reproduire trois modes de combustion : flamme de propagation, flamme de diffusion et auto-inflammation. Ces travaux permettent également d'évaluer les différentes technologies envisageables de mesure de transfert thermique en combustion (thermocouples, thermorésistances et thermométrie phosphore rapide) au regard des caractéristiques métrologiques requises par la rapidité des phénomènes mis en jeu.Le flux lors du transfert thermique atteint des valeurs de plusieurs MW/m2 avec une forme qui dépend du mode de combustion. Le flux lors de la propagation d'une flamme prémélangée est dominé par un pic lors de l'interaction flamme paroi,d'environ 5 MW/m2 et de durée 0.5 ms. Le flux lors de la combustion d'un jet Diesel est approximativement un plateau pendant la durée de l'injection ; il est dominé par l'effet d'entraînement d'air par le jet qui cause une augmentation du coefficient de transfert convectif jusqu'à des valeurs de 10 kW/m2/K, l'augmentation de température liée à la combustion étant secondaire. Dans le cas d'ondes de pression générées par une auto-inflammation rapides de gaz(cliquetis lors d'un allumage commandé ou HCCI à fort contenu énergétique), une corrélation est observée entre l'intensité du cliquetis et le flux thermique associé, quel que soit le mode de combustion qui génère les oscillations de pression. Le flux lors du cliquetis est 3 à 5 fois plus élevé que lors d'une combustion par flamme de propagation comparable. / CO2 emissions in internal combustion engines are linked with inefficiencies due to wall heat losses during combustion.Those losses exhibit a sharp peak of a few MW/m2 close to top dead center and are linked to complex flame/wall interaction phenomena that vary with the combustion mode. A fine understanding of the associated phenomena requires experimental characterization of wall heat flux with a time resolution better than the millisecond. In this PhD work, a rapid compression machine and a precombustion cell are used to reproduce engine combustion phenomena. Thin-junction thermocouples allow an instantaneous measurement of the wall heat flux with a time resolution of 0.1 ms. Three combustion modes are generated: propagation flame, diffusion flame and auto-ignition.Different possible measurement technologies and procedures (thermocouples, thermoresistances and rapid phosphor thermometry) are compared and benchmarked against the features of combustion phenomena. Flux during wall heat transfer reaches values of a few MW/m2 and its shape varies with the combustion mode. During premixed flame propagation, flux is dominated by a peak during flame-wall interaction of about 5 MW/m2 in amplitude and 0.5 ms in duration. During Diesel combustion, heat flux is approximately constant during the injection duration; itsevolution is driven by an increase of the convection coefficient up to 10 kW/m2/K, which is attributed to air entrainment by the spray; the temperature increase from combustion is considered a second-order effect. During combustion presenting a pressure wave propagation (e.g. knock for some spark-ignition cases or HCCI with high energy content), the intensity of pressure oscillations and wall heat flux are shown to be correlated. That correlation is independent of the phenomenon creating the pressure wave; heat flux during knock is 3-5 times higher than for a comparable premixed propagation flame.

Les technologies photovoltaïques représentent un grand espoir dans le domaine de l’énergie. Nous en sommes actuellement à la troisième génération de cellules solaires, composées de dispositifs nano structurés. A ces échelles, les performances mesurées par des techniques usuelles sont globales. Pour accéder aux grandeurs physiques locales, des outils de caractérisation avancés sont nécessaires. L’objectif de cette thèse est la mesure de travail de sortie et de temps de vie de porteurs par microscopie à force atomique et spectroscopie électronique. Après un rappel historique sur les technologies permettant de récolter l’énergie lumineuse, puis une explication détaillée du principe de fonctionnement des techniques de caractérisation employées, nous présenterons trois études :1) Une mesure de travail de sortie sur hétérostructures de silicium-germanium par XPEEM et KFM, pour démontrer la complémentarité des deux techniques. Nous verrons qu’elles sont capables d’imager des variations de travaux de sorties de l’ordre de 10 meV, et qu’elles ont permis de révéler un effet d’inversion de contraste dû à un état de surface. 2) Une mesure de travail de sortie par KFM sur matériaux III-V. Nous verrons que la résolution spatiale maximale est dépendante d’un effet de recouvrement de courbure de bandes, mis en évidence grâce à une simulation auto-cohérente du potentiel de surface. 3) Une technique permettant de reconstruire une cartographie de temps de vie de porteurs, grâce à l’acquisition de plusieurs images KFM sous illumination modulée en fonction de la fréquence. Cette technique a été appliquée avec succès sur une cellule solaire organique de type PBTFB-PCBM. / Photovoltaic technologies represent a great hope for actual energetic issues. We are now working with the third generation of solar cells, composed of nano structured devices. At these levels, the performances measured by conventional techniques are averaged. In order to access local physical quantities, advanced characterization technics have to be developed. The goal of this thesis is the local measurement of work function and carrier lifetime by atomic force microscopy and electron spectroscopy. After a historical overview on photovoltaic technologies and a detailed explanation of the operating principle of the characterization techniques, we present three studies:1) A work function measurement on silicon-germanium heterostructures by XPEEM and KFM, to demonstrate the complementarity of these techniques. We saw that both are able of imaging small (10 meV) work function variations, and have revealed a contrast inversion effect due to a surface state.2) A work function measurement by KFM on III-V materials. We saw that the maximum spatial resolution is dependent on a bend bending covering effect, highlighted with a self-consistent simulation of the surface potential.3) A technique giving access to carrier lifetime mappings, through the acquisition of several KFM images as a function of frequency modulated illumination. This technique has been successfully applied to an PBTFB-PCBM organic solar cell.

L’utilisation d’adhésifs polyépoxy et plus particulièrement de pâte de calage dans l’aéronautique est chose très courante. L’augmentation des cadences de production des aéronefs poussent les fournisseurs à adapter les temps technologiques de ces produits (temps d’application et de complète polymérisation) : ainsi, la cinétique de réticulation des adhésifs de demain devra être lente à température ambiante et pouvant être accélérée à tout moment. Pour cela, la piste envisagée pour ces tra-vaux est la polymérisation sous rayonnement infrarouge. La cinétique de ré-action a été évaluée par analyse thermique (DSC) ou par analyse spectrosco-pique (MIR ou PIR). Les résultats obtenus ont mis en évidence un effet thermique et non thermique du rayonnement infrarouge. Grâce à plusieurs expérimentations, les résultats montrent que le rayonnement infrarouge interagit avec les groupe-ments époxydes dont l’énergie d’activation de la réaction avec les amines primaires diminue. Par ailleurs, l’utilisation d’un plan d’expérience a permis de montrer que l’adhérence et les propriétés mécaniques de ces adhésifs augmentaient suite à l’utilisation du rayonnement infrarouge.

L’objectif de la thèse était d’effectuer la validation psychométrique de la grille de fragilité SEGA modifiée (Short Emergency Geriatric Assessment) chez des sujets âgés vivant à domicile. Nous avons mené une étude longitudinale prospective dans deux régions françaises, incluant des sujets de 65 ans ou plus, vivant à domicile. Nous avons étudié l’acceptabilité et la faisabilité de l’instrument, sa validité de structure, sa fiabilité, sa validité discriminante, ainsi que sa capacité prédictive. Au total, 167 patients ont été inclus. Ils étaient âgés de 77 ± 7 ans, avec une majorité de femmes (70,7%). La faisabilité et acceptabilité du volet A de la grille SEGAm étaient excellentes : il n’y avait aucun refus de participation ni arrêt de passation, aucune donnée manquante ni aucun effet plancher ou plafond. Le temps moyen de passation était de 5,0 ± 3,5 min. Il s’agissait d’un outil unidimensionnel présentant une bonne cohérence interne (coefficient alpha de Cronbach à 0,68) et une bonne reproductibilité (coefficient de corrélation intraclasse à 0,88 pour le test-retest entre J0 et J7). La grille SEGAm avait également une très bonne capacité discriminante concernant l’état thymique, nutritionnel, l’équilibre, le niveau d’indépendance, et les comorbidités. La grille SEGAm avait une bonne capacité prédictive vis-à-vis de la perte d’indépendance ; le niveau de fragilité à l’inclusion était significativement associé à la perte d’indépendance à 12 mois (OR = 4,52 ; IC 95 % [1,40-14,68] ; p=0,01). La grille SEGAm nous apparaît comme un outil de choix dans la stratégie de dépistage de la fragilité en communauté, pour permettre la mise en place précoce d’interventions ciblées. / We aimed to validate the modified version of the Short Emergency Geriatric Assessment (SEGAm) frailty instrument among elderly community-dwelling subjects. A longitudinal, prospective study was conducted in two French regions and subjects aged 65 years or more and living at home were included. For psychometric validation, feasibility, acceptability, internal structure validity, reliability, discriminant validity and predictive validity of the SEGAm instrument were studied. Overall, 167 patients were included. Average age was 77±7 years, the majority were women (70.7%). Feasibility and acceptability of the sheet A of the SEGAm instrument were excellent: no refusal to participate, no drop-out during administration, no missing items, no ceiling or floor effects were noted. Administration time was short (5.0±3.5 min). By factor analysis, the instrument proved to be unidimensional. It showed good internal consistency (Cronbach’s alpha coefficient: 0.68) and good test-retest (intra-class correlation: 0.88). Discriminant validity showed a significant difference for mood and depression risk, nutritional status, fall risk, dependency, and comorbidities. Frailty status at baseline was significantly associated with loss of autonomy at 12 months of follow-up (OR=4.52, 95% CI=1.40-14.68; p=0.01). The SEGAm appears to be an easy-to-use instrument that is particularly suitable for use in the community to identify frail elderly people who could benefit from early targeted interventions.

Un des plus importants profits qu'on peut tirer des M/NEMS est la capacité de les fabriquer en grande masse permettant leur assemblage sous forme de réseau. Toutefois, de nombreux problèmes s'opposent à l'utilisation de ces systèmes tels que la complexité de leur contrôle, la non-uniformité et les couplages entre leurs éléments, les sources de bruits et de non-linéarités, etc.. Il est alors nécessaire de prendre en compte ces différents aspects dès la phase de conception, les corriger ou les exploiter, pour aboutir à des nouvelles architectures qui répondent aux exigences de hautes performances. En se servant d'un large réseau de nano-transducteurs, une contribution au contrôle dynamique robuste d'une micro-surface « intelligente » est développée. La structure continue est ensuite remplacée par un réseau de NEMS dont le modèle est détaillé pour la première fois en tenant compte des dispersions entre les éléments. Des architectures de réseaux couplés sont proposées pour réduire les effets des dispersions, améliorant ainsi la sélectivité des filtres résultants. Basée sur le schéma de transductions distribuées, une nouvelle stratégie d'ajustement du filtre est élaborée par contrôle modal. Ces différents réseaux (couplés ou non) peuvent être utilisés pour des applications capteurs où le système de mesure est modélisé en fonction de la technique utilisée et de la structure adoptée avant d'améliorer les performances par un contrôle approprié. Une nouvelle configuration exploitant les non-linéarités de transduction est proposée pour compenser et mesurer la variation de la fréquence de résonance permettant de réduire la complexité du système global.