The range of applications for magnetic micro- and nano-particles is constantlyexpanding, in particular in medicine and biology. A number of applications involve particletrapping and deviation under the effect of a magnetic field and field gradient. In mostpublications, the required magnetic fields are produced either using soft magnetic elementspolarized by an external magnetic field, electromagnets or bulk permanent magnets.Micromagnets produce high fields and favor autonomy and stability while downscalingleads to an increase of field gradients. The challenge is to produce good quality, hardmagnetic films in the range of 1 to 100 μm both in thickness and lateral dimensions and tointegrate them into a Bio-Mag-MEMS.Physical vapor deposition (triode sputtering) is used to prepare high quality rare earthmagnets in thick film form. In order to obtain field gradients in the lateral directions, threetechniques have been developed:• Topographic patterning, in which the film itself is patterned either by sputtering ontopre-etched substrates or by etching the magnetic film.• Thermo-magnetic patterning, which exploits the temperature dependance of coercivityto locally reorient the magnetization.• Micro magnetic imprinting, which consists of organizing magnetic powder with the aidof the above-cited magnets, then embedding the powder into a polymeric matrix.Such micro-magnets are autonomous, having no requirements for a cumbersome externalfield source nor power supply.Here we demonstrate the potential to develop autonomous devices based on micromagnetarrays. Controlled positioning using superparamagnetic particles as a model is shown at first.Then, the magnet arrays are used to study endocytic processes using magnetically labelledbiological elements.In a step towards device integration, microfluidic channels are produced above themagnet arrays. Magnetic and non-magnetic particles are pumped through the devices andprecise positioning, as well as guiding and sorting are performed. High purity is obtained inthe sorted solutions.The good results obtained in the development of micromagnetic flux sources, integrationinto microdevices and particle/cell handling and sorting indicate the high potential of thiswork for actual biological and medical applications. Moreover, the biocompatibility andautonomy of such devices allow their use in micro-total-analysis systems, point-of-care orimplantable devices. / Les micro et nano billes magnétiques sont de plus en plus utilisées en Biologie et enMédecine, pour une large gamme d’applications. Plusieurs applications utilisent le piégeageet le guidage de ces billes sous l’effet d’un champ et d’un gradient de champ magnétique.Dans la plupart des applications le champ magnétique est macroscopique, créé par un aimantou un électro-aimant. L’intégration plus poussée est souvent envisagée, dans les articlesscientifiques, par des microbobines ou par des éléments magnétiques doux. Ceux-ci doiventalors être polarisés par un champ externe (de nouveau, un électroaimant ou un aimant).Les micro-aimants mis au point à l’Institut Néel permettent d’obtenir les mêmesinductions que les meilleurs aimants du marché et, par conséquent, de par la réductiond’échelle, des gradients de champ intenses. Ils sont, de plus, favorables à l’autonomie et àla stabilité du système. Le défi est de produire de bonnes couches magnétiques avec desdimensions de l’ordre de 1 à 100 μm et de les intégrer à des Bio-Mag-MEMS.Le dépôt physique par phase vapeur (pulvérisation cathodique triode) est utilisé pourle dépôt de ces aimants de haute qualité, en couche épaisse, et à base de terres-rares. Dansle but d’optimiser les gradients latéraux des champs magnétiques, trois techniques ont étédéveloppées:• Le topographic patterning, dans lequel une couche est structurée géométriquement,soit par dépôt sur un substrat pré-gravé, soit par gravure humide après le dépôt.• Le thermo-magnetic patterning, qui exploite la dépendance thermique de la coercivitépour réorienter localement l’aimantation de la couche.• Le micro magnetic imprinting, qui consiste à organiser des particules magnétiquesà l’aide des aimants mentionnés ci-dessus et, ensuite, de les noyer dans une couchepolymérique.Les micro-aimants présentent l’avantage, majeur pour un microsystème, d’êtreautonomes. Ils ne nécessitent pas de source externe de champ magnétique, ni d’alimentationélectrique. Lors de ces travaux, nous développons des prototypes de microsystèmes fluidiquesautonomes basés sur des réseaux de micro-aimants. En premier lieu, la capture parattraction et le positionnement controllé, en utilisant des particules superparamagnétiquescomme modèle. Puis, l’étude de phénomènes d’endocytose à l’aide d’éléments biologiquesmarqués magnétiquement. Dans le but de passer à l’intégration des systèmes, des canauxmicrofluidiques sont développes sur les réseaux magnétiques. Des particules magnétiques etnon-magnétiques sont introduites dans les canaux et leur positionnement, guidage et tri sontréalisés. L’analyse des solutions triées indique une haute efficacité du système.Les résultats obtenus lors du développement de ces micro-sources de champ magnétiqueset de leur intégration dans des microsystèmes, ainsi que la manipulation et tri de particules,démontrent le grand potentiel de ces recherches pour des applications grand public à dessystèmes biologiques et médicaux. De plus, la biocompatibilité et l’autonomie de ces systèmespermettent leur utilisation dans des microsystèmes d’analyse totale (μTAS), des systèmespoint-of-care (POC) et des implants biomédicaux, potentiellement jetables et bas coût.

L'évolution des systèmes embarqués se traduit aujourd'hui par des ensembles complexes, dits systèmes cyber-physiques, opérant principalement en réseau et interagissant fortement avec leur environnement.Intégrés à des circuits de contrôle et de traitement du signal, les micro-systèmes électromécaniques, ou MEMS, jouent un rôle primordial dans ces ensembles en tant que capteurs ou actionneurs.La conception de tels systèmes requiert des solutions globales et pluri-disciplinaires telles que le prototypage virtuel.Basée sur des modèles haut-niveau, cette technique permet d'anticiper le comportement du système dès les premières phases de conception et de le raffiner lors de phases plus avancées.Ces méthodes ont progressivement été appliquées à la conception de circuits intégrés, notamment avec l'utilisation de langages de description matérielle, tels que VHDL ou Verilog.En adoptant un niveau d'abstraction supérieur, SystemC a largement contribué au développement concourant des parties matérielles et logicielles.Parallèlement, les extensions proposées dans SystemC-AMS répondent au nombre croissant de composants analogiques dans les circuits intégrés et constituent une base prometteuse pour le prototypage virtuel de systèmes hétérogènes.Pour cette raison, cette thèse traite de la modélisation et de la simulation haut-niveau de dispositifs MEMS en SystemC-AMS.Dans un premier temps, nous évaluons les capacités actuelles du standard et des modèles de calcul proposés dans SystemC-AMS.Nous démontrons les limites et la difficulté d'élaborer des modèles équivalents de dispositifs MEMS dont la géométrie et les couplages internes nécessitent des descriptions plus détaillées.Nous proposons donc, dans un deuxième temps, d'intégrer directement dans SystemC-AMS des modèles réduits de dispositifs MEMS.La réduction d'ordre de modèle est une méthode mathématique permettant de créer des représentations compactes de systèmes initialement très larges en termes de degrés de liberté.Ainsi, nous utilisons les modèles générés depuis l'outil d'analyse en éléments finis \emph{MEMS+} et proposons une interface de programmation pour les insérer dans des modèles SystemC-AMS.Après avoir détaillé les principales fonctionnalités de l'interface, nous discutons les améliorations possibles du standard et de la solution présentée.Enfin, nous vérifions notre solution avec l'étude d'un accéléromètre et comparons les résultats avec l'état de l'art en termes de précision des modèles et de performances de simulation.Cette thèse propose ainsi une méthodologie complète pour intégrer des dispositifs MEMS dans un environnement de simulation haut-niveau. / Embedded systems have evolved to more complex assemblies, called Cyber-Physical Systems (CPS), mostly operating through networks and tightly interacting with the environment.As actuators or sensors, micro-electromechanical systems (MEMS) are essential elements in these systems where they are integrated along with control and signal processing units.Designing such solutions requires a multi-domain approach like virtual prototyping.Based on system-level models, this technique allows to anticipate the global behavior in early-design phases and to further refine it in more advanced steps.Integrated circuits were progressively designed with respect to this method, especially through Hardware Description Languages (HDLs) like VHDL or Verilog.By adopting a higher-abstraction degree, SystemC enabled the co-development of hardware/software specific applications.In parallel, the Analog and Mixed-Signal (AMS) extensions proposed in SystemC-AMS partly addressed the increasing amount of analog components and are considered as a promising alternative for the virtual prototyping of heterogeneous systems.To that end, this thesis addresses the system-level modeling and simulation of MEMS devices in SystemC-AMS.First, we evaluate the current capabilities of the standard and supported models of computation in SystemC-AMS.We demonstrate the limitations and the the difficulty to elaborate equivalent models of MEMS devices whose geometry and internal coupling require more detailed descriptions.Second, we propose to directly integrate MEMS reduced models in SystemC-AMS.Model-order reduction is a mathematical technique to decrease the number of degrees of freedom and generate compact models from large-scale systems.We thus integrate the reduced models exported from the finite-element analysis tool \emph{MEMS+} and propose an Application Programmable Interface (API) to insert these \textit{ad hoc} models in SystemC-AMS.After reviewing the main API features, we discuss some improvements of both the standard and the presented solution.Finally, we verify our solution through the use case of an accelerometer and compare the results with the state of the art in terms of modeling accuracy and simulation performance.This thesis introduces a framework to integrate MEMS devices with the surrounding electronics in a unified system-level simulation environment.

Cette thèse présente la conception et le développement d'un imageur CMOS pour bio-capteurs optiques basé sur la résonance plasmonique de surface ou SPR (de l'anglais Surface Plasmon Resonance). Premièrement, les conditions optimales pour la résonance de plasmon dans une interface compatible avec un processus CMOS/Post-CMOS sont obtenus par modélisation avec le logiciel COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS à Colonne Active de 32x32 pixels est réalisé en technologie CMOS 0,35 m. Dans une interface or-eau avec excitation du prisme et une longueur d'onde de 633 nm, on constate que pour des prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage SPR optimal se produit à des angles d'incidence de 68,45◦ et 79,05◦ avec les épaisseurs des couches d'or de 50 nm et 45 nm respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l' ́energie de la lumière incidente sera transférée au plasmon de surface. Nous montrons aussi qu'un changement de 10−4 RIU dans l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01◦ dans l'angle de résonance de plasmonique, pour un schéma de modulation d'intensité lumineuse ce changement correspond à une variation de 0,08% dans l'énergie de la lumière réfléchie vue par le photodétecteur. Pour l'imageur CMOS conu, une photodiode caisson-N/subtrat-P est choisie en raison de sa faible capacit ́e de jonction, qui se traduit par un rendement quantique élevé et un gain de conversion élevé. Les simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco donnent une capacité de jonction de 31 fF et un rendement quantique maximum de 82%. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et a un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de Colonne Active (ACS) pour réduire le bruit spatial (FPN) associés aux capteurs à pixels actifs traditionnels (APS). En outre pour compléter la réduction du bruit, un Double Echantillonnage Non-Corrélé (NCDS) et un Double Echantillonnage Delta (DDS) sont utilisés. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, les résultats obtenus sont un gain de conversion de 7.3 V/e-, une photodiode avec une capacité de jonction de 21.9 fF, un bruit de lecture de 324,5 μV, ́equivalant approximativement à 45 lectrons, et une gamme dynamique de 62,2 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observés dans les bas niveaux de FPN de pixel et colonne de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers le but de d ́evelopper une plateforme de biocapteur entièrement intégrée basée sur SPR, incorporant la source de lumière, l'interface SPR, le canal microfluidique, les éléments optiques et l'imageur CMOS.

Cette thèse est consacrée à l’étude théorique et numérique de plusieurs équations aux dérivées partielles non linéaires qui apparaissent dans la modélisation de la séparation de phase et des micro-systèmes électro-mécaniques (MSEM). Dans la première partie, nous étudions des modèles d’ordre élevé en séparation de phase pour lesquels nous obtenons le caractère bien posé et la dissipativité, ainsi que l’existence de l’attracteur global et, dans certains cas, des simulations numériques. De manière plus précise, nous considérons dans cette première partie des modèles de type Allen-Cahn et Cahn-Hilliard d’ordre élevé avec un potentiel régulier et des modèles de type Allen-Cahn d’ordre élevé avec un potentiel logarithmique. En outre, nous étudions des modèles anisotropes d’ordre élevé et des généralisations d’ordre élevé de l’équation de Cahn-Hilliard avec des applications en biologie, traitement d’images, etc. Nous étudions également la relaxation hyperbolique d’équations de Cahn-Hilliard anisotropes d’ordre élevé. Dans la seconde partie, nous proposons des schémas semi-discrets semi-implicites et implicites et totalement discrétisés afin de résoudre l’équation aux dérivées partielles non linéaire décrivant à la fois les effets élastiques et électrostatiques de condensateurs MSEM. Nous faisons une analyse théorique de ces schémas et de la convergence sous certaines conditions. De plus, plusieurs simulations numériques illustrent et appuient les résultats théoriques. / This thesis is devoted to the theoretical and numerical study of several nonlinear partial differential equations, which occur in the mathematical modeling of phase separation and micro-electromechanical system (MEMS). In the first part, we study higher-order phase separation models for which we obtain well-posedness and dissipativity results, together with the existence of global attractors and, in certain cases, numerical simulations. More precisely, we consider in this first part higher-order Allen-Cahn and Cahn-Hilliard equations with a regular potential and higher-order Allen-Cahn equation with a logarithmic potential. Moreover, we study higher-order anisotropic models and higher-order generalized Cahn-Hilliard equations, which have applications in biology, image processing, etc. We also consider the hyperbolic relaxation of higher-order anisotropic Cahn-Hilliard equations. In the second part, we develop semi-implicit and implicit semi-discrete, as well as fully discrete, schemes for solving the nonlinear partial differential equation, which describes both the elastic and electrostatic effects in an idealized MEMS capacitor. We analyze theoretically the stability of these schemes and the convergence under certain assumptions. Furthermore, several numerical simulations illustrate and support the theoretical results.