La demande d'accroissement des capacités des réseaux de transmission de données a fait naître un besoin en composants tout optique. Le principal objectif de cette thèse a été de mettre au point une nouvelle architecture de micro-miroir et d'en faire l'évaluation de ses performances. Celle-ci était destinée à être implantée dans des multiplexeurs-démultiplexeurs en longueurs d'ondes ou dans des routeurs optiques. Deux approches comparatives ont été menées, une analytique et une par simulation. Elles ont permis la réalisation puis la caractérisation de micro-miroirs qui sont aujourd'hui commercialisables. Pour des raisons de miniaturisation, nous nous sommes intéressé aux alimentations intégrées spécifiques nécessaires à ce type d'application. Après un état de l'art des solutions existantes pour en déduire des solutions compatibles en taille avec notre application, nous présentons notre contribution à l'avancement des travaux permettant l'obtention d'éléments passifs de stockage.

Les travaux de thèse, ont porté sur la conception et la réalisation d'un micro-initiateur sécurisé sur silicium. Le système intègre outre la fonction initiation, plusieurs fonctions sécuritaires répondant aux besoins militaires : armement, désarmement et stérilisation. Le système est initialement sécurisé par la mise en cours circuit des deux contacts de l'initiateur. L'initiateur consiste en un élément chauffant sur membrane diélectrique permettant d'initier des charges pyrotechniques avec 150mW. Les différentes fonctions sécuritaires sont assurées par des interrupteurs monocoups pyrotechniques que nous avons développés : - L'interrupteur ON-OFF consiste à sectionner une piste qui traverse un micro-actionneur pyrotechnique. Il nécessite une puissance minimale de 150mW pour réaliser la commutation et des temps de commutation de 25ms ont été obtenus pour 500mW. - L'interrupteur OFF-ON consiste à réaliser une micro-brasure commandable entre deux pistes à connecter. Il nécessite une puissance minimale de 200mW pour commuter et le temps minimum de commutation obtenu est 320ms avec 400mW. Ces interrupteurs sont bistables, présentent l'avantage d'avoir une très bonne isolation électrique dans l'état OFF et une très bonne conduction dans l'état ON. Leur caractère monocoup les rend particulièrement adaptés aux applications sécuritaires. Un démonstrateur du système appelé Pyrosecure a été réalisé. La fabrication utilise des techniques classiques de microtechnologies et nécessite seulement 4 masques, ce qui en fait un système peu coûteux, facilement réalisable et compatible avec les circuits microélectroniques.

La fonctionnalisation des surfaces permet d'en modifier leur comportement vis-à-vis des propriétés physico-chimiques de fluides. Nous avons restreint notre étude à la caractérisation par méthode acoustique des interfaces microstructurées silicium-fluide pour lesquelles une gravure physique d'un réseau de piliers de petites dimensions a été réalisée. Les propriétés de ces interfaces vis-à-vis des liquides dépendent de la géométrie des gravures, des propriétés du fluide et des conditions d'interaction du fluide avec la surface. Notre objectif a été de confronter des modèles de comportement en terme de mouillabilité de ces surfaces aux mesures des coefficients de réflexion des ondes ultrasonores. Une première étape du travail a consisté à modéliser le coefficient de réflexion d'une onde ultrasonore incidente sur une surface microtexturée en fonction de l'état du liquide sur la surface. Deux états physiques caractéristiques ont étés étudiés : l'état où le liquide reste au sommet des piliers (état Cassie) et celui où le liquide pénètre dans le réseau de piliers (état Wenzel). Deux modèles numériques ont été développés : le premier repose sur la modélisation par éléments finis utilisant COMSOL MULTIPHYSICS et le second modèle numérique utilise une méthode explicite aux différences finies.La technique expérimentale est fondée sur une méthode de mesure du coefficient de réflexion électrique d'un transducteur ultrasonore haute fréquence à l'aide d'un analyseur de réseau, qui permet après traitement d'en déduire le coefficient de réflexion à l'interface.Les résultats originaux obtenus démontrent qu'une onde acoustique de compression est sensible à l'état d'un liquide sur une surface microtexturée.

Les Dispositifs Médicaux d'Injection (DMI) se développent de plus en plus. De nouveaux dispositifs apportent des innovations en terme de performances et d'utilisation par rapport aux seringues classiques. Le DMI développé par Eveon est un dispositif bio-inspiré possédant des capteurs, une micropompe, un flacon et une aiguille. Il permet une injection automatique, précise au microlitre garantissant une faible perte de liquide médicamenteux grâce aux techniques de miniaturisation utilisées dans la fabrication des microsystèmes. En effet, une micropompe à membrane en silicium intégrant des capteurs a été réalisée par des procédés issus de la microélectronique. Deux types d'actionneurs ont été couplés à la membrane : un actionneur bimétallique intégré et un actionneur piezoélectrique externe. Dans le cas de l'actionneur bimétallique, des thermo-résistances ont été conçues, fabriquées et caractérisées pour permettre de mesurer le profil thermique de la membrane lors de l'actionnement avec une erreur de 5%. Dans le cas de l'actionneur piezoélectrique externe, des piezorésistances ont été intégrées selon l'axe radial de la membrane afin de contrôler le profil de contraintes dans la membrane, asservir l'actionneur en fonction de la contre-pression et maximiser les caractéristiques de la pompe. Afin d'assurer la délivrance d'une dose précise de médicament, un capteur de débit est intégré dans les canaux microfluidiques de la micropompe. Ce capteur innovant permet de détecter des débits de liquide dans la gamme spécifiée par les dispositifs médicaux d'injection, à savoir une plage de débit allant de 0.5mL/min à 4mL/min.

Dans le cadre de la thèse, l'étude porte sur le développement de microbatteries lithium tout solide, dans l'objectif d'alimenter les microsystèmes radiofréquences. On s'est intéressé particulièrement à la miniaturisation et à certains aspects de l'intégration de ces microbatteries. Une première étape a consisté à établir une étude physiochimique des couches actives, et particulièrement l'électrode positive en pentoxyde de vanadium (V2O5), et d'évaluer le comportement électrochimique de ce composé au sein de la microbatterie. Le suivi du matériau par différentes méthodes de caractérisation pendant la phase de croissance a permis l'observation de variations significatives de ses propriétés structurales et morphologiques. Une corrélation a été établie entre ces caractéristiques physiochimiques et le comportement électrochimique à la fois en électrolyte liquide et solide (V2O5/LiPON/Li). Un procédé de microfabrication a été ensuite proposé pour la miniaturisation des microbatteries. Le procédé comporte plusieurs briques technologiques faisant appel à la photolithographie et différentes techniques de gravure. Un protocole expérimental a été établi afin d'optimiser, qualifier et valider le développement de chaque brique technologique, et de rendre compte de la fonctionnalité des dépôts actifs après microfabrication. La conception de microbatteries a été finalement réalisée en se basant sur le cahier des charges du microsystème radiofréquence considéré et en tenant compte du procédé de microfabrication développé.

Cette thèse traite de la réduction d’ordre de modèle du phénomène communément rencontré dans la modélisation de microsystèmes, à savoir, dans la littérature anglaise, le « squeeze-film damping ». Dans un premier chapitre sont présentées les différentes méthodes de réduction d’ordre de modèle. Dans le cas des systèmes linéaires, elles ont un cadre théorique bien établi. Ces méthodes peuvent être adaptées pour les systèmes non-linéaires. La validité des modèles réduits résultants sera alors réduite à un certain espace des phases, leur établissement faisant intervenir certaines trajectoires particulières servant d’apprentissage. On présente finalement la méthode des modes normaux non-linéaires dont les modèles résultants ne dépendent pas d’une trajectoire d’apprentissage. Au chapitre 2, on s’intéresse plus particulièrement au phénomène de « squeeze-film damping » régi par l’équation de Reynolds. Après avoir détaillé son établissement à partir de certaines hypothèses, on décrit les différentes méthodes de résolution de l’équation linéaire puis non-linéaire de la littérature. On compare ensuite les résultats d’un modèle de l’équation de Reynolds à des simulations éléments finis de l’équation de Navier-Stokes afin de valider les hypothèses faites pour la dérivation de l’équation de Reynolds. On propose ensuite une résolution originale par changement de variable. On étudie aussi plusieurs autres résolutions possibles ainsi que plusieurs bases de projection parmi celles décrites dans le premier chapitre. Le chapitre 3 est consacré à la modélisation du problème couplé que constitue le micro-interrupteur MEMS qui est un candidat au remplacement des interrupteurs à base de transistors dans les communications RF. Sa modélisation fait intervenir trois domaines, la mécanique, l’électrostatique, et la fluidique à travers l’équation de Reynolds. Après voir décrit les différents modèles de la littérature, on propose un modèle réduit couplé dont le modèle fluidique est basé sur le modèle établi au chapitre 2. Ce modèle est validé par rapport à des modèles différences finies et à des résultats expérimentaux de la littérature.Enfin le quatrième chapitre traite de la réduction du coût d’évaluation du modèle réduit couplé de micro-interrupteur du chapitre 3. La première méthode proposée consiste à trouver une fonction d’approximation de la projection de la force fluidique sur le premier mode mécanique, fonction des coordonnées modales mécaniques position et vitesse. Cette méthode ne se révèle valable que dans le cas incompressible. Dans le cas compressible, la résolution de l’équation de Reynolds restant obligatoire, on utilise la méthode de Rewienski et al. qui consiste à linéariser par morceaux les fonctions régissant la dynamique. Une autre méthode de linéarisation par morceaux, tirant parti d’une particularité du modèle du chapitre 2 et permettant de s’affranchir d’une trajectoire d’apprentissage, est également proposée. / This thesis deals with reduced-order modelling of squeeze-film damping, a fluidic phenomenon that is commonly encountered in MEMS. In the first chapter, reduced-order modelling methods are presented. For linear systems, well-established theories exist. They can be adapted to nonlinear systems. However, the resulting reduced-order models are valid in a certain region of the state-space only, depending on the training trajectory. The method of nonlinear normal modes, which does not depend on a training trajectory is also introduced. Chapter two is focused on the squeeze-film damping phenomenon governed by the Reynolds equation. We first establish the equation from appropriate hypotheses, and then present the different resolutions of its linear and nonlinear form found in literature. The results from a model based on the Reynolds equation are then compared to results from a finite element Navier-Stokes model, in order to validate the various hypotheses made. An original method of resolution based on a change of variable is then proposed. Several other method of resolution are studied as well as different projection bases amongst those presented in chapter one.Chapter three is dedicated to the modelling a micro-switch, a candidate to the replacement of switches based on transistors in RF communications. Its modelling implies the coupling of three domains: mechanics, electrostatics, and fluidics with Reynolds equation. Following a description of the models from literature, a coupled model is proposed, the fluidic model being the one presented in chapter two. This model is validated compared to finite difference models as well as experimental data from the literature.Finally, the fourth chapter aims at reducing the evaluation cost of the coupled micro-switch model established in chapter three. The first method consists in finding an approximation function of the projection of the fluidic force on the first linear mechanical mode as a function of the mechanical modal coordinates, position and speed. This method is applicable in the incompressible case only. In the compressible case, the Reynolds equation has to be solved. The method of Rewienski and al., which consists in piecewise-linearizing the functions governing the dynamics, is used. Another method based on a piecewise-linear approach, taking advantage of the particular structure of the model presented in chapter two, thus not depending on a training trajectory, is proposed.

Ce travail de recherche porte sur le développement et la mise au point d'un récupérateur d'énergie vibratoire MEMS à transduction capacitive dédié aux applications biomédicales et plus particulièrement aux stimulateurs cardiaques sans sondes autonomes. Cette application impose une miniaturisation poussée (volume inférieur à 1 cm³), une puissance de sortie dans la gamme allant de 1 à 10 µW et une compatibilité vis-à-vis des systèmes d'Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Ces contraintes ainsi que l'effet de la gravité ont été pris en compte sur tout le flot de conception afin d'obtenir un dispositif innovant en technologie MEMS silicium capable de fournir une puissance de sortie suffisante quelle que soit son orientation une fois implanté. Afin de convertir efficacement les battements cardiaques ayant un spectre étendu (de 1 à 50 Hz) pour une amplitude d'accélération faible (inférieure à 1 g), le système emploie des bras de suspension ayant une raideur non-linéaire ce qui permet d'étendre notablement la bande passante effective du système. Cette non-linéarité est ici induite de manière originale en faisant en sorte que la forme initiale des bras de suspension soit une combinaison linéaire des modes de déformée propre d'une poutre doublement encastrée. Un soin particulier a été apporté afin de modéliser ceci dans le but de prédire la réponse mécanique du système quels que soient les stimuli imposés. Afin de réaliser les différents dispositifs de test, une technologie MEMS de type SOG (Silicon-On-Glass) a été développée. Cette technologie permet d'obtenir des structures en silicium monocristallin avec un fort rapport d'aspect tout en limitant le budget thermique et se montre donc compatible avec une éventuelle industrialisation. Ceci a été prouvé via la réalisation de multiples véhicules de test qui se sont montrés totalement fonctionnels. Ainsi la pertinence des modèles théoriques permettant de prédire le comportement non-linéaire des ressorts employés a été prouvée de manière expérimentale. De même, les récupérateurs d'énergie réalisés ont été testés en régime harmonique mais également via des stimuli cardiaques et ont montré une large bande passante avec une puissance de sortie équivalente à celle donnée dans l'état de l'art et ce, quelle que soit leur orientation par rapport à la gravité. / Present work addresses question of MEMS capacitive vibrational energy harvesting for biomedical applications, and notably for powering an autonomous leadless pacemaker system. Such an application imposes several critical requirements upon the energy harvesting system, notably the sufficient miniaturization (<1cm³), power output in range of 1-10 µW, compatibility with Magnetic Resonant Imaging (MRI). This work addresses a problematic of MEMS energy harvester design, simulation, fabrication and characterization fulfilling such a requirement. Moreover, a gravity effect is studied and taken into account in the conception of the device to ensure the power output at various orientations of the harvester. To attain a heartbeat frequencies (1-50 Hz) and acceleration amplitudes (<1g), the use of nonlinear springs is proposed. A nonlinear stiffness is implemented in original way of introducing a natural bending mode shapes in the initial beam form. A mechanical description of bending mode coupling along with its impact on a reaction force of the suspension springs is presented. An innovative clean room technology based on silicon-on-glass (SOG) wafers is developed for the fabrication of the innovative energy harvesters with high width-to-depth aspect ratio. A straightforward and rapid low-temperature process with the possibility of future industrialization is validated by multiple experimental realizations of miniaturized MEMS energy harvesters. Fabricated microsystems are tested mechanically and electrically. Proposed theoretical model of the curved beam is validated with reactive force measurements of the MEMS springs. Energy harvesting experiments are performed for both harmonic and heartbeat mechanical excitations, which demonstrate the large bandwidth in low frequencies domain and a sufficiently large state-of-the-art power output for envisaged application under different orientations with respect to the gravity.

Les microalgues, de par leur diversité, peuvent offrir une multiplicité de molécules bio-sourcées pour des applications variées (alimentation, énergie, santé etc…). Cependant, la production de biodiesel à partir de microalgues, désignée comme la 3e génération de biocarburant, nécessite encore une optimisation lors de l’étape de culture de la biomasse ou lors de l’extraction de l’huile pour que le procédé soit énergétiquement viable. Parmi les voies d’amélioration, l’application de champs électriques pulsés (PEF) en prétraitement à la biomasse pourrait améliorer la rentabilité énergétique du procédé d’extraction de lipides. Ce procédé appliqué aux microalgues est étudié dans le contexte d’une collaboration entre le laboratoire SATIE de l’ENS Cachan Paris Saclay et le laboratoire LGPM de Paris Saclay.Un microsystème d’électroporation a été conçu afin d’étudier in situ l’impact des champs électriques pulsés sur les cellules de microalgue, Chlamydomonas reinhardtii chargées en lipides. Parmi les principaux résultats du projet, l’étude énergétique du procédé a montré que les impulsions de très courte durée (5 µs) sont les moins énergivores. Associées à un champ électrique de 4.5 kV/cm, ces impulsions entrainent une perméabilisation réversible (80 % de cellules atteintes) de quelques secondes tandis qu’un champ de 7 kV/cm entraine un effet irréversible. Après ce prétraitement, les algues sont ensuite mélangées à de l’hexane afin d’évaluer si les lipides sont extraits plus facilement de la cellule. / Microalgae offer a multiplicity of applications for the production of bio-sourced compounds such as proteins, pigments, sugars and oils. However, the energy spent for algae culture and lipid extraction hinder the energetic viability of the process for the production of biofuel derived from algae oils. Among possible improvements, pulsed electric fields (PEF) may be used as a pre-treatment to extract valuable compounds from microalgae and making the process less energy demanding.This project started with a collaboration between the team of bio-micro-systems Biomis, laboratory SATIE, with the team of bio-process engineering laboratory LGPM to study in situ the effects of PEF on microalgae.First, a energetic study is performed in a micro-system specially built for this project to characterize in situ, the effect of various treatment parameters (pulse duration / electric field) on Chlamydomonas reinhardtii cells with high lipid content.Among the outputs of this study, an energetic optimization of PEF conditions shows that a high level of permeability and low energy consumption are obtained when using short pulses of 5 µs. Associated with an electric field of 4.5 kV/cm, the pores are reversible (80% of the cells) during few seconds, and with a field of 7 kV/cm or higher, the permeabilization is irreversible. Afterwards, this PEFpre-treatment is associated with solvent mixing (hexane) to evaluate if lipid extraction is improved.

L'impression par transfert, une technique utilisée pour transférer divers matériaux tels que des molécules d'ADN, de la résine photosensible ou des nanofils semi-conducteurs, s'est dernièrement révélée utile pour la réalisation de structures de silicium statiques sous le nom de micro-maçonnerie. L'étude présentée ici explore le potentiel de la technique de micro-maçonnerie pour la fabrication de résonateurs MEMS. Dans ce but, des microplaques de silicium ont été transférées sur des couches d'oxyde avec cavités intégrées à l'aide de timbres de polymère afin de créer des structures de type plaques suspendues. Le comportement dynamique de ces structures passives a été étudié sous pression atmosphérique et sous vide en utilisant une excitation externe par pastille piézo-électrique mais aussi le bruit thermomécanique. Par la suite, des résonateurs MEMS actifs, à actionnement électrostatique et détection capacitive intégrés, ont été fabriqués en utilisant des étapes supplémentaires de fabrication après impression. Ces dispositifs ont été caractérisés sous pression atmosphérique. Les facteurs de qualité intrinsèques des dispositifs fabriqués ont été évalués à 3000, ce qui est suffisant pour les applications de mesure à pression atmosphérique et en milieu liquide. Nous avons démontré que, puisque l'adhérence entre la plaque et l'oxyde est suffisamment forte pour empêcher une diaphonie mécanique entre les différentes cavités d'une même base, plusieurs résonateurs peuvent être facilement réalisés en une seule étape d'impression. Ce travail de thèse montre que la micro-maçonnerie est une technique simple et efficace pour la réalisation de résonateurs MEMS actifs de type plaque à cavité scellée. / Lately, transfer printing, a technique that is used to transfer diverse materials such as DNA molecules, photoresist, or semiconductor nanowires, has been proven useful for the fabrication of various static silicon structures under the name micro-masonry. The present study explores the suitability of the micro-masonry technique to fabricate MEMS resonators. To this aim, silicon microplates were transfer-printed by microtip polymer stamps onto dedicated oxide bases with integrated cavities in order to create suspended plate structures. The dynamic behavior of fabricated passive structures was studied under atmospheric pressure and vacuum using both external piezo-actuation and thermomechanical noise. Then, active MEMS resonators with integrated electrostatic actuation and capacitive sensing were fabricated using additional post-processing steps. These devices were fully characterized under atmospheric pressure. The intrinsic Q factor of fabricated devices is in the range of 3000, which is sufficient for practical sensing applications in atmospheric pressure and liquid. We have demonstrated that since the bonding between the plate and the device is rigid enough to prevent mechanical crosstalk between different cavities in the same base, multiple resonators can be conveniently realized in a single printing step. This thesis work shows that micro-masonry is a powerful technique for the simple fabrication of sealed MEMS plate resonators.

Ces travaux ont visé le développement d'une plateforme complète de détection de gaz pour environnement sévère haute température. Cette plateforme intègre un dispositif à ondes acoustiques de surface sur substrat Langasite, une résistance chauffante, une couche sensible inorganique nanostructurée et est placée dans une enceinte hermétique. Des températures de l'ordre de 450 °C ont été atteintes et des tests de cyclages ont démontré un fonctionnement reproductible en accord avec les modèles théoriques. Des tests de détection de composés organiques volatils (éthanol et toluène) ont mis en avant le fort potentiel du couplage entre dispositifs acoustiques et couches sensibles mésoporeuses présentant des seuils de détection de l'ordre de quelques ppm.