Cette thèse traite de l'étude de microstructures (microsystèmes) pour la réalisation de microrelais électromagnétiques et magnétostrictifs. Ce travail se divise en trois parties. Dans un premier temps, une analyse bibliographique nous permettra d'introduire les microtechnologies et les microsystèmes. Ensuite, cette analyse se focalisera plus spécifiquement sur la problématique du microrelais. Dans une deuxième partie, nous aborderons la première solution étudiée : le microrelais magnétostrictif. Nous montrerons ici le fort potentiel des applications couches minces dans ce domaine, avec le dimensionnement d'un premier prototype. Cette étape passe par le développement d'un premier modèle analytique qui y est présenté. Enfin dans une troisième partie, nous traiterons de l'élaboration de microrelais électromagnétiques à application RF (fonction émission/réception des commutateurs de téléphones cellulaires). Ce travail se décompose en trois parties. Nous traiterons d'abord le dimensionnement mécanique des structures retenues, puis le dimensionnement magnétique (commande, circuit magnétique, etc.). Enfin nous présenterons les réalisations technologiques ainsi que la caractérisation mécanique des structures.

Le développement constant des microsystèmes a rendu possible l'apparition d'un nouveau type de capteur de vitesse de rotation : les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Ces capteurs ont des dimensions et des coûts de fabrication sans communes mesures comparées aux gyromètres classiques (i.e. gyromètre à toupie, gyromètre laser, gyromètre à fibre optique...), mais en contrepartie ils ont des performances nettement en retrait. Ils sont destinés à des applications nouvelles telles que le pilotage de micro-drones, la stabilisation d'image dans les appareils photographiques, le contrôle dynamique de trajectoire dans l'automobile, etc.<br />L'objet de ce travail porte sur l'étude spécifique du matériau piézoélectrique utilisé dans les micro-gyromètres vibrants à effet Coriolis. Aujourd'hui le quartz, faiblement piézoélectrique, est le matériau utilisé, du fait de ses très bonnes propriétés thermomécaniques et de la grande maîtrise des technologies de sa mise en oeuvre (due à son utilisation massive dans l'industrie horlogère). C'est dans le contexte de l'émergence de nouveaux matériaux de synthèse plus fortement piézoélectriques que s'inscrit mon travail de thèse qui consiste en l'étude de l'apport des nouveaux matériaux piézoélectriques dans le domaine des micro-gyromètres vibrants.<br />Pour répondre à cette problématique nous avons suivi la démarche suivante. Dans un premier temps, il a été développé un modèle analytique de gyromètre vibrant piézoélectrique permettant d'appréhender les performances du capteur (facteur d'échelle et résolution de mesure). Ainsi, il a été possible d'identifier les paramètres matériaux clés et de comparer les différents matériaux d'un point de vue théorique. Puis, les différentes étapes de réalisation des maquettes de gyromètre en PZT, GaPO4 et langasite sont décrites. Enfin, la caractérisation des maquettes de gyromètre en PZT et GaPO4 et la validation du modèle par la confrontation des résultats théoriques et expérimentaux sont présentées.

Dans le cadre de la détection de nouveaux allergènes alimentaires, un microsystème pour la séparation bidimensionnelle de protéines par électrophorèse a été développé, ces deux dimensions étant la focalisation isoélectrique (IEF) et l'électrophorèse de zone (EZ). Ces deux modes de séparation ont été étudiées au format capillaire avant d'utiliser les résultats obtenus en microsystèmes. La séparation de protéines par IEF a d'abord été réalisée. Nous avons montré que l'utilisation d'électrolytes constitués d'ampholytes d'intervalles étroits de pH (NC) permettait d'augmenter la résolution puis réalisé la séparation de protéines du lait en microsystèmes. Des microsystèmes en verre et en PDMS et plusieurs traitements de surface ont été comparés en utilisant une méthode de mesure de flux électroosmotique développée pour cela. Nous avons ensuite étudié la séparation de protéines par EZ en microsystèmes. Des NC ont de nouveau été utilisés, pour leur faible conductivité. Nous avons montré qu'ils permettaient de diminuer fortement l'adsorption des protéines puis nous avons réalisé la séparation de ces dernières en quelques secondes après avoir optimisé leur dérivation avec un marqueur fluorescent. Enfin, différents schémas de microsystèmes ont été envisagés pour coupler les deux dimensions de séparation.

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s'appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d'accéléromètre vibrant en silicium est détaillée

La lévitation diamagnétique est un des rares phénomènes permettant de soustraire des corps à la gravité. Si la répulsion diamagnétique est négligeable à nos échelles, elle devient significative aux petites dimensions, allant jusqu'à entraîner, sous certaines conditions, la mise en lévitation de micro-objets diamagnétiques. A travers le développement de microaimants, de modèles numériques et analytiques ainsi que de réalisations expérimentales, ces travaux explorent les potentialités de la lévitation diamagnétique de microgouttes et du piégeage de cellules en milieu paramagnétique. Ils démontrent notamment la possibilité de mesurer précisément l'interaction entre gouttes chargées en lévitation. Ces travaux analysent par ailleurs, le comportement des cellules piégées dans un environnement paramagnétique. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le tri de cellules basé sur leur taille, leur susceptibilité voire même leur propriété endocytotique. Enfin, la possibilité d'actionner sans contact des microgouttes dans l'air est explorée par la modélisation d'un système innovant couplant la diélectrophorèse à la lévitation diamagnétique.

L'évolution des micro systèmes est en plein essor. Le développement de micromoteurs en constitue l'un des principaux axes actuels de recherche. Si les premiers micro moteurs étaient électrostatiques, les micromoteurs électromagnétiques ont récemment attiré l'attention de nombreux chercheurs. Le micromoteur asynchrone a pourtant connu une critique assez défavorable de la part de nombre de chercheurs. Sa fabrication - supposée forcément tridimensionnelle, donc complexe - et sa performance mécanique - estimée simplement insuffisante - sont à l'origine de ce mépris généralisé. Un problème supplémentaire qui défavorise la performance des micromachines est la réduction d'échelle, car elle entraîne une considérable augmentation relative dans leurs frottements, au point même d'empêcher leur fonctionnement. Afin de réduire les pertes dues aux frottements, une étude et une analyse de paliers magnétiques passifs miniatures sont proposées. Plusieurs prototypes illustrent cette approche. Dans le cadre de la validation de prototypes de taille millimétrique, cette thèse s'est orientée sur l'étude du micromoteur asynchrone. Un premier prototype, à géométrie planaire et de dimensions 0 18 mm x h 2 mm, a été fabriqué. Le micromoteur intègre une suspension magnétique passive à aimants permanents. Ce moteur a atteint 4500 tr/min en développant un couple de 1,2 flNm.

Une technologie d'élaboration de micro et nanosystèmes idéale devrait permettre l'intégration de différents matériaux (magnétiques, piézoélectriques, polymères, etc.) ou structures (composants optiques, mécaniques, optoélectroniques, etc.) de nature fortement hétérogène dans le but d'obtenir des systèmes multifonctionnels complexes éventuellement encapsulés. Un moyen de contourner les différents problèmes d'incompatibilité, liés aux mélanges des technologies de fabrication, est de transférer les différents films de matériaux ou composants d'un substrat donneur, sur lequel ils ont été préalablement élaborés, vers le substrat comportant le système visé Dans cette optique, un procédé de transfert de film à basse température a été développé. Ce procédé repose sur le contrôle de l'adhésion d'un film mince de nickel préformé, à partir d'un substrat dit " donneur ", sur une couche à adhésion contrôlée de nature carbonée ou fluorocarbonée. La libération mécanique du film, sur un substrat dit " cible ", est assurée par une soudure adhésive via des cordons de scellement en BCB. Grâce à sa facilité de mise en œuvre et aux faibles températures requises pour le scellement des substrats, ce procédé a permis de transférer des microstructures en nickel sur des substrats de silicium, de verre ainsi que sur des substrats Kapton souples. L'emploi d'une soudure BCB assure l'isolation thermique et électrique des microstructures sur le substrat cible. La versatilité du procédé a été prouvée par l'empilement de microstructures suspendues et par le transfert de divers matériaux. Ce procédé est très prometteur pour de nombreuses applications et apporte de nouvelles perspectives quant à l'intégration hétérogène 3D de micro et nanosystèmes.

Cette thèse a été menée dans le domaine des microsystèmes magnétiques. Des actionneurs magnétiques de type réseaux de bobines planaires de champ sont conçus, simulés et caractérisés. Les microtechnologies utilisées et développées permettent une miniaturisation poussée et une fabrication collective. La fonction de ces bobines est d'exercer les forces locales nécessaires au contrôle de la déformation de membranes magnétiques souples. Des membranes polymères de diamètre 40 mm sont élaborées sur substrat et les composants aimantés sont collés en vis à vis avec les bobines. L'application étudiée est un miroir defotmable utilisé en astronomie pour corriger la planéité du front d'onde de la lumière incidente dans les télescopes spatiaux ou au sol. Ce type de miroir, plus compact que ceux actuellement employés et de résolution potentiellement supérieure, est conçu à l'aide de modélisation magnétique et mécanique, et un prototype est réalisé

Cette thèse présente la conception, la caractérisation et l'utilisation d'un microsystème intégrant des fonctions terahertz (THz) guidées. L'interprétation des mesures conduit à la définition d'une métrologie des liquides aux fréquences THz. Ceci est possible par le développement de systèmes robustes, versatiles et sensibles couplant circuits microfluidiques et guides d'ondes THz intégrés. La création d'un procédé technologique compatible avec les processus microélectroniques de fabrication en "salle blanche", et le choix d'une filière silicium/polymère/verre ont permis d'obtenir une résistance à des pressions de plus de 35bar dans des canaux de 50mm de large. De plus, l'assemblage des substrats en amont de la gravure des canaux permet une conception indépendante des circuits électromagnétique et fluidique avec une définition de motifs inégalée pour ce type de microsystèmes. Les mesures réalisées avec ce dispositif ont permis d'atteindre une sensibilité aux protéines de l'ordre de 5mg/mL, état de l'art des dispositifs THz conventionnels, améliorant notablement les performances des dispositifs microfluidiques THz. Cette sensibilité a permis la caractérisation de l'hydratation de protéines en solution. Les calibrations in-situ, assurant l'obtention de mesures quantitatives, permettent d'atteindre leur nombre d'hydratation. Le couplage des mesures avec des techniques de chimiométrie conduit à l'analyse plus fondamentale de la structure et la dynamique de la couche d'hydratation, confrontée avec succès à des modèles numériques. Nous aboutissons à la définition d'un laboratoire sur puce, couplant modélisation, mesures calibrées et interprétation statistique dans le spectre THz, qui par ses caractéristiques propres, contribue à la compréhension des phénomènes d'hydratation. Le véritable apport de cette technologie réside dans ses perspectives pour le suivi des interactions dynamiques nécessaire à une meilleure compréhension du vivant.

Cette thèse concerne l'étude d'une famille de μ-actionneurs magnétiques en lévitation asservie.<br />Le principe est celui d'un aimant mobile ayant deux positions stables et une position instable. Parmi<br />les différentes applications de cette structure, un μ-positionneur est étudié plus en détails, avec la<br />conception, la modélisation et la réalisation d'une maquette centimétrique de ce μ-positionneur<br />asservi. La conception de μ-positionneur comprend l'étude du capteur capacitif de position et une<br />synthèse du correcteur pour l'asservissement. La modélisation introduit deux méthodes de calcul de la<br />force et du couple magnétostatiques exercés sur l'aimant mobile: méthode de charge équivalente et<br />méthode d'intégration volumique. Les deux méthodes sont validées et puis utilisées pour déterminer<br />la trajectoire de l'aimant mobile comportant 6 degrés de liberté. Une méthode mathématique utilisant<br />les quaternions est mise en oeuvre. La modélisation permet l'analyse du comportement de différents<br />μ-actionneurs magnétiques ainsi que la vérification de la stabilité de l'asservissement. La réalisation<br />de la maquette centimétrique décrit la fabrication d'un prototype ainsi que la réalisation de<br />l'électronique pour capter la position de l'aimant mobile. L'aimant mobile sur la maquette est<br />finalement asservi en lévitation.