On assiste depuis quelques années à l'émergence d'une robotique médicale proposée pour accroître la précision des actes, améliorer les conditions de travail de l'équipe chirurgicale et le confort du patient. Nos recherches s'inscrivent dans le projet national EndoXiroB du RNTS dont l'objectif est la réalisation d'un ensemble robotisé de chirurgie mini-invasive. Elles sont dédiées à la conception et à la réalisation, en s'appuyant sur les technologies microsystèmes, d' une instrumentation chirurgicale poly-articulée équipée d'outils terminaux intégrés permettant une mesure des efforts et une découpe thermo-coagulante des tissus vivants. Nous présenterons une description complète de notre proposition qui consiste en une articulation poly-articulée innovante, proche du type « corps de serpent ». Cette articulation, commandée par quatre ou six fils, est composée de liaisons rotules plastiques accompagnées par plusieurs fils métalliques assurant à l'ensemble une rigidité en torsion et flexion. Nous décrirons nos travaux sur la conception microsystème d'un capteur d'effort deux axes pour mesurer des forces de tiraillement sur les tissus. Le microsystème utilise deux niveaux de silicium intégrant un corps d'épreuve à quatre branches orthogonales et un ensemble d'électrodes capacitives inter-digitées.Nous exposerons nos premières études sur la conception de lames thermo-chauffantes pour la découpe et la coagulation des tissus. Ces études sont basées sur la réalisation de lames en technologie silicium. Au-delà de la simple découpe et de la mesure des efforts, on peut imaginer d'intégrer d'autres micro-capteurs sur les outils chirurgicaux. Il serait ainsi possible d'augmenter la sécurité de l'acte chirurgical en évaluant, par exemple, la présence d'artères, de vaisseaux ou de nerfs à proximité de l'outil de chirurgie. Pour finir, nous proposerons une réflexion plus prospective basée sur la miniaturisation d'un robot portable intégrant un dispositif compact pour actionner l'a rticulation terminale de l'instrument chirurgical. Au-delà de cette réflexion, une solution extrême consisterait dans le futur à transférer tous les degrés de liberté d'un système robotisé à l'intérieur de la cavité opératoire.

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%.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d'un microsystème multidisciplinaire composé de dispositifs qui sont conçus dans des domaines différents: électromécanique, électronique analogique et numérique, et électrochimique. <br />L'objectif est de proposer des prototypes virtuels d'un microsystème dit autonome. Ce microsystème permet de générer à partir de vibrations mécaniques, une énergie électrique qui sert à alimenter tout le dispositif, et le rendre électriquement indépendant.<br />Une méthode de modélisation collaborative sous l'environnement MATLAB/Simulink est proposée afin d'étudier le comportement du microsystème. Ceci est réalisé à différents niveaux de détails en se basant sur deux approches de simulations. La première permet de vérifier le comportement du prototype virtuel dans un même environnement et de le valider par simulation globale. La deuxième approche consiste à simuler le système complet en faisant appel à l'interface de cosimulation avec le langage VHDL sous ModelSim. <br />Les résultats de simulation confrontés aux mesures effectuées sur le prototype physique ont montré la fiabilité de la méthode proposée.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et la simulation d'un microsystème multidisciplinaire composé de dispositifs qui sont conçus dans des domaines différents: électromécanique, électronique analogique et numérique, et électrochimique. L'objectif est de proposer des prototypes virtuels d'un microsystème dit autonome. Ce microsystème permet de générer à partir de vibrations mécaniques, une énergie électrique qui sert à alimenter tout le dispositif, et le rendre électriquement indépendant. Une méthode de modélisation collaborative sous l'environnement MATLAB/Simulink est proposée afin d'étudier le comportement du microsystème. Ceci est réalisé à différents niveaux de détails en se basant sur deux approches de simulations. La première permet de vérifier le comportement du prototype virtuel dans un même environnement et de le valider par simulation globale. La deuxième approche consiste à simuler le système complet en faisant appel à l'interface de cosimulation avec le langage VHDL sous ModelSim. Les résultats de simulation confrontés aux mesures effectuées sur le prototype physique ont montré la fiabilité de la méthode proposée.

Ce document est rédigé en vue de l'obtention d'un diplôme d'habilitation à diriger des recherches de l'Université Joseph Fourier de Grenoble. Il présente une synthèse de travaux de recherche concernant les transducteurs électroacoustiques et ultrasonores, le Curriculum vitae et la production scientifique du candidat. Les travaux de recherche ont été conduits successivement à l'Université Technique Tchèque à Prague jusqu'en 1993, à l'Ecole Centrale de Lyon entre 1993 et 1994 et à l'Université Joseph Fourier de Grenoble depuis 1994. Les résultats les plus récents ont été obtenus au Laboratoire TIMA au sein de l'équipe RMS. Dans ce document, nous définissons la problématique des transducteurs éléctroacoustiques et ultrasonores et nous traçons les faits les plus marquants du progrès dans ce domaine. Nous présentons brièvement l'état de l'art des transducteurs piézoélectriques, capacitifs, piézorésistifs et électrothermiques en soulignant les réalisations dans le domaine de l'acoustique et des ultrasons. Nous présentons les progrès dans ce domaine apportés par les nouvelles technologies, ainsi que nos travaux sur ces types de transducteurs. Nous aborderons quelques méthodes de test développées pour des applications acoustiques et démontrerons leur applicabilité dans le domaine du test des systèmes analogiques et mixtes. La problématique des transducteurs acoustiques dans diverses applications et l'apport de nouvelles technologies pour leur évolution constituent le fil directeur de ce travail.

Les microsystèmes électrostatiques se sont développés depuis une vingtaine d'année et ont constitué un événement marquant du développement technologique. La présentation abordera les travaux effectués en termes de modélisation du micro usinage de volume et en termes de développement technologique relatif au micro usinage de surface. Elle s'appuiera également sur des exemples de microsystèmes opto électro mécaniques à vocation applicatives tant dans le domaine des télécommunications que des applications militaires. Les prospectives de recherches aborderont les nouveaux développements relatifs à l'introduction des matériaux polymères dans les technologies silicium tout en restant dans le cadre des applications à l'optique.

Le capteur de pression étudié résulte de l'assemblage hybride d'une cellule sensible capacitive en technologie Silicium/Pyrex et d'un convertisseur capacité/fréquence basé sur le principe de la charge et de la décharge d'une capacité à courant constant. La modélisation de la réponse de chacune des deux parties permet d'établir la fonction de transfert du capteur. La détermination précise des différents paramètres s'effectue à partir d'une approche mixte fondée sur la simulation numérique et sur la caractérisation expérimentale de la cellule et du circuit. L'étude des comportements d'un montage inverseur et d'une architecture ratiométrique montre la faisabilité d'un capteur dans lequel la nonlinéarité et les dérives thermiques s'autocompensent en grande partie. Dans une plage de fréquence de l'ordre de dix pour-cent de la fréquence à pression nulle, le démonstrateur de capteur présente une nonlinéarité inférieure à 1 % et une dérive thermique par degré Celsius égale à deux cents millièmes. La simulation numérique indique que pour optimiser les performances du capteur ratiométrique, il faut que les deux voies de référence et de mesure soient identiques. Cet optimum peut être quasiment atteint en intégrant sur un substrat commun de silicium les deux convertisseurs. Les essais expérimentaux révèlent également des phénomènes d'interférences entre les oscillateurs véhiculés au travers des capacités de recouvrement des transistors MOS. La minimisation de ce problème peut s'obtenir en ajoutant une capacité de découplage suffisamment grande entre les oscillateurs. L'ensemble de ces résultats obtenus permet de conclure que les principes et les technologies utilisées sont adéquats pour développer une nouvelle famille de capteurs de pression miniatures relativement précis (de l'ordre de 1 % de l'étendue de mesure), peu coûteux et facilement interfaçables avec des réseaux de communication numériques.

L'agence spatiale européenne et le CNES étudient la possibilité d'envoyer des microsystèmes dans l'espace, en particulier pour le gain de masse qu'ils représentent. Afin d'améliorer la fiabilité des composants en couches minces dans le temps et leurs performances, il est nécessaire de connaitre leurs propriétés mécaniques. Plusieurs techniques de caractérisation existent, en particulier la nanoindentation qui sollicite les couches minces directement sur substrat. Mais les résultats peuvent être largement influencés par le substrat dans le cas des couches microniques. Les méthodes de traction uniaxiale (CNES) et du gonflement de membranes autoportantes (INL) permettent de s'affranchir des effets du substrat, mais la fabrication de telles structures est complexe et nécessite bon nombre d'étapes technologiques pour retirer le substrat en face arrière. L'objectif de cette thèse est de comprendre le lien qui existe entre les paramètres de fabrication de couches minces métalliques d'or et d'aluminium, leur microstructure, et leurs propriétés mécaniques à l'aide des outils présentés précédemment. Une perspective étant de mieux agir sur les procédés de fabrication afin d'améliorer la fiabilité des composants. Le premier chapitre présente les différentes techniques de dépôt, leur thermodynamique et cinétique, les types de microstructures rapportées dans la littérature, ainsi que la réalisation des structures de test. Le deuxième présente les caractérisations microstructurales, et la corrélation entre les paramètres de dépôt et les propriétés microstructurales est discutée. Le chapitre trois présente les caractérisations mécaniques des couches minces, sur substrat ou autoportantes, par les méthodes de nanoindentation en pointe Berkovich et sphérique, de microtraction et du gonflement de membrane. Le dernier chapitre est consacré aux relations entre les propriétés microstructurales et mécaniques des couches minces métalliques et à l'influence des traitements thermiques.

Nos travaux ont visé le développement de biocapteurs hyperfréquences microfluidiques pour l'analyse de fluides biologiques et notamment la mesure de glucose en solution aqueuse avec pour contexte applicatif la mesure de la glycémie humaine. Nous présentons dans un premier temps la modélisation du fonctionnement des biocapteurs développés et de l'interaction fluide/champ électrique sous-jacente afin d'en comprendre les mécanismes et d'optimiser les performances en sensibilité des dispositifs. Ces premiers résultats ont nourri la conception et fabrication de nouveaux biocapteurs hyperfréquences résonants microfluidiques. Nous avons validé expérimentalement les capacités en sensibilité et fiabilité de ces dispositifs pour la mesure de glucose à des concentrations physiologiques. Nous avons de plus démontré que l'ajout de constituants comme le chlorure de sodium ne remettait pas en cause les capacités de mesures de fluides complexes (comme le sang) de nos biocapteurs. Enfin, la dernière partie ouvre vers de nouvelles perspectives permises par les techniques hyperfréquences microfluidiques. Nous pointons ici le pouvoir sélectif de la technique rendant possible la mesure, sur un unique échantillon, de la concentration de plusieurs solutés (glucose et chlorure de sodium). Nous démontrons également que la convergence des techniques de conception et microfabrication hyperfréquence microfluidique et des propriétés des techniques de caractérisation hyperfréquence rend possible la mesure simultanée de plusieurs échantillons de liquides.

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.