Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont une des révolutions issues de la microélectronique de ces dernières années qui ont permis l’apparition de nouveaux objets connectés à leur environnement tels que les smartphones. Pour répondre entre autres à la problématique de miniaturisation, ces capteurs doivent être assemblés avec les transistors qui les pilotent via des procédés d’intégration en trois dimensions. Les études de la littérature montrent que la brasure à base d’alliage eutectique Al-Ge permet de répondre de ce besoin. Dans le procédé de scellement eutectique Al-Ge, les constituants de l’alliage sont déposés sur au moins une des deux surfaces à coller. La fusion puis la solidification de la brasure va donner lieu à une structure eutectique et fermer mécaniquement l’interface pour former un assemblage. Cependant, des points cruciaux restent encore à approfondir, notamment la fuite de l’alliage liquide en dehors de la zone à coller ainsi que l’apparition de trous à l’interface de scellement.Le but de cette thèse est donc d’étudier dans un premier temps les phénomènes physiques (mouillage, solidification, diffusion) qui déterminent la qualité finale des assemblages. Dans un second temps, ces résultats sont mis à profit pour développer des procédés de scellement hermétiques et avec une bonne tenue mécanique pour l’encapsulation des MEMS. L'étude porte sur l'influence des paramètres tels que la température, l’épaisseur et l’état surfacique des couches, mais également sur les mécanismes de réactivité aux interfaces entre l'alliage liquide et les substrats. / Electromechanical microsystems (MEMS) are one of the main revolutions of microelectronics in recent years. It has permitted the emergence of new objects connected to their environment such as smartphones. To answer the problem of miniaturization, these sensors need to be assembled with their control transistors by three-dimensional packaging. Existing studies show that Al-Ge eutectic bonding meets these criteria. In this process, the constituents of the alloy are deposited on at least one of the two wafers. The melting and then the solidification of the solder will result in a eutectic structure which mechanically closes the interface to form an assembly. However, there are still some issues to be addressed, in particular the leakage of the liquid alloy outside of the bonding area and the presence of voids at the sealing interface.The first goal of this thesis is to study the physical phenomena (wetting, solidification, diffusion) that determine the final quality of the assemblies. Secondly, these results are used to develop hermetic sealing processes, with a high mechanical strength for the packaging of MEMS. The study focuses on the influence of parameters such as temperature, thickness and oxidation of the surfaces, but also on the mechanisms of interfacial reactivity between the liquid alloy and substrates.

Les matériaux vitreux sont de bons candidats pour répondre à des applications à haute température, comme par exemple des joints de scellement pour piles à combustibles ou des revêtements de protection. Ils restent toutefois des matériaux fragiles susceptibles de se fissurer sous sollicitations thermiques ou mécaniques. Des études ont montré qu’ils présentent la capacité de s'auto-réparer sans intervention extérieure, par mécanisme de cicatrisation autonome. Cette dernière est obtenue par ajout d'un agent de cicatrisation (particules actives) à la matrice vitreuse. Lors de l'apparition d'une fissure, les particules métalliques s'oxydent au contact de l'atmosphère à haute température pour former des oxydes fluides qui s’écoulent dans la fissure et forment un nouveau verre par réaction avec la matrice. Nos travaux ont eu pour objectif de comprendre le fonctionnement et les mécanismes de cicatrisation dans la gamme de température 500-800°C, à partir de particules génératrices des oxydes V2O5 et B2O3. Les influences des paramètres environnementaux et de la composition chimique du système sur la capacité de cicatrisation, ont été étudiées in situ par microscopie environnementale à haute température. Afin de répondre à des applications dans le domaine aéronautique, nous avons fait évoluer le système vers de plus hautes températures. La capacité de cicatrisation de nouveaux composites plus réfractaires a été étudiée dans la gamme 1000-1200°C. La mise en œuvre de matériaux auto-cicatrisants en couches minces permet d'envisager des applications en tant que revêtement. Nous avons ainsi montré la faisabilité de dépôts de ces matériaux par la technique d'ablation laser pulsée. / Glassy materials are good candidates for high temperature applications, such as sealant for solid oxide fuel cells (SOFC) or protective coatings. To overcome cracking of the glass when subjected to thermal cycles, self-healing has been shown to be a promising solution. The self-healing property is defined as the capacity of a material to recover its mechanical integrity and initial properties after destructive actions of external environment or under internal stresses. An autonomous self-healing of cracks can be achieved using a healing agent (active particles) incorporated into the glass matrix. When a crack occurs, the active particles will oxidize by contact with the atmosphere at high temperature to form fluid oxides capable to fill the crack and to form a new glass after reaction with the glass matrix. Our aim intended to understand the self-healing mechanism in the temperature range of 500-800°C, using particles leading to the formation of the V2O5 and B2O3 oxides. Influence of environmental parameters and chemical composition of the system on the self-healing capability has been investigated using high temperature environmental microscopy (HT-ESEM).In order to access to aeronautical applications, we studied the capacity of more refractory composites to produce crack healing at higher temperature (>1000°C). The elaboration of such self-healing materials as thin layers would enable their application as protective coating. The last part of our work aimed at studying the deposition of glass and active particles by pulsed laser deposition.

Dans un contexte d'intégration toujours plus poussée et d'augmentation des domaines de<br />fonctionnement des systèmes électroniques à bord des satellites, la conception de systèmes de<br />refroidissement compacts et performants permettant la gestion de puissance de densités de<br />plusieurs W/cm^2 est nécessaire. Ce travail de thèse effectué au laboratoire d'électrotechnique<br />de Grenoble (LEG) et utilisant l'expertise technologique du CEA-LETI se propose d'étudier<br />l'emploi de systèmes à changement de phase en silicium utilisant l'eau comme fluide pour le<br />refroidissement de l'électronique embarquée selon un cahier des charges défini par le CNES.<br />S'appuyant sur les techniques de la microélectronique (notamment celles de la gravure<br />profonde), les avantages intrinsèques du silicium pour l'application spatiale (faible masse<br />volumique, bonnes propriétés mécaniques, compatibilité avec l'environnement électronique)<br />et une première expérience de réalisation de systèmes diphasiques, le dimensionnement<br />hydrauliques, mécanique et thermique de répartiteurs de chaleur carrés 5 cm x 5cm de<br />compacité réduite (1 mm) capables de fonctionner en microgravité et la réalisation de<br />démonstrateurs ont été effectués. La caractérisation des performances thermiques et<br />hydrauliques de ces derniers permettent de prévoir à terme la dissipation de densités de<br />puissance au delà de 76 W/cm^2 avec une conductivité équivalente de 800 W/(m.K) selon le<br />domaine de fonctionnement en température considéré.<br />Une réflexion sur la problématique de l'injection du fluide dans la structure et son<br />confinement hermétique dans le dispositif a également été menée et a donné lieu à<br /> une proposition de solution originale et brevetée.

L'objectif de cette thèse est d'établir les liens entre élaboration, microstructure et comportement des getters non-évaporables (NEG) en couches minces, en vue de leur utilisation dans le cadre du packaging collectif des MEMS sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Après une étude bibliographique sur l'herméticité des MEMS et l'effet getter, la modification du comportement de piégeage de gaz par les NEG couches minces, engendré par l'ajout de sous-couches métalliques, est mise en évidence. Afin d'expliquer cette influence, la microstructure des couches minces est étudiée, notamment sa dépendance aux paramètres d'élaboration et aux traitements thermiques. Ensuite, le comportement macroscopique de piégeage de l'azote est caractérisé, de même que les mécanismes microscopiques d'activation et de pompage. Ces derniers permettent finalement d'élaborer quelques recommandations pour l'intégration des NEG couches minces dans les MEMS.

Les micro-dispositifs comportant des structures libérées et mobiles sont d’une part très sensibles aux variations de leur environnement de travail, et d’autre part très fragiles mécaniquement. L’étape de découpe du substrat en plusieurs puces est extrêmement agressive et peut entrainer la destruction totale des micro-dispositifs. L’encapsulation avant la découpe va alors prémunir les micro-composants lors de cette étape critique et continuer à garantir leur bon fonctionnement tout au long de leur utilisation en conservant la stabilité et la fiabilité de leur performance. Le conditionnement doit en outre interfacer les micro-dispositifs encapsulés avec le monde macroscopique en vue de leur utilisation. De nombreux procédés de fabrication ont déjà été développés pour l’élaboration d’un conditionnement. C’est le cas de l’encapsulation puce par puce, substrat - substrat, par couche sacrificielle par exemple. Ils sont toutefois très contraignants (encombrement, compatibilité, coût, …). Nous avons étudié, au cours de cette thèse, un procédé innovant de conditionnement hermétique par transfert de film utilisant une couche à adhésion contrôlée. Cette technologie consiste à élaborer des capots protecteurs sur le substrat moule puis à les reporter collectivement pour encapsuler les micro-dispositifs. Ce procédé est totalement compatible avec un interfaçage électrique de composant qui traverse les cordons de scellement ou le capot. Ce procédé nécessite la maîtrise de la croissance de divers films (C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In) et permet d’obtenir des boitiers étanches, hermétiques et robustes qui devraient très rapidement pouvoir être utilisés pour le conditionnement de MEMS. / Micro-devices which are composed of free standing or mobile structures are very sensitive to the working condition and mechanically very fragile. The saw dicing steps is very aggressive and it can destroy the micro-devices. Packaging will prevent the micro devices from any damage during this critical step and also take care of it all along its life by controlling its performance stability and reliability. Moreover, the suited devices use needs a connection to the macroscopic word through the packaging. Many packaging process flow has already developed such as pick and place, wafer to wafer, thin film packaging with a sacrificial layer. Nevertheless, they have got many drawbacks (footprint, process compatibility, cost …). We have developed an attractive wafer level hermetic packaging process by film transfer technology during this these. It relies on a transferred molded film cap from a carrier wafer to the donor wafer. Electrical path can be done through the cap or the bonding ring. Cap manufacturing need a high layer growth skill for example in C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In films to make robust, hermetic encapsulation which should be soon used for MEMS packaging.

Le boulonnage et le câblage à ancrage réparti sont deux techniques de renforcement du terrain couramment utilisées dans l'industrie minière et dans le génie civil. Au fil de cette recherche, on s'intéresse à la réponse de ces éléments sous des sollicitations axiales de traction, en régime statique. Dans ces conditions, l'expérience montre que la rupture se produit le plus fréquemment à l'interface barre-scellement via un processus de décohésion qui commence dès que la force sur la barre atteint une valeur limite. L'objectif est de mieux comprendre le comportement de cette interface, avant et après rupture. Premièrement, on revoit l'état de l'art afin de comprendre le travail effectué et les aspects non maîtrisés à ce jour. Deuxièmement, on décrit des outils analytiques qui permettent de comprendre la réponse d'un boulon ou d'un câble à ancrage réparti soumis à une force de traction. Ensuite, on présente les études expérimentales menées en laboratoire et in situ. Des essais d'arrachement ont été effectués pour déterminer les principaux facteurs qui régissent la réponse de l'interface. Finalement, on analyse les résultats des essais effectués en laboratoire sur les boulons. Après l'obtention des variables nécessaires, on propose un modèle semi-empirique d'interface, qui devra être validé par des essais complémentaires. Cette perspective et d'autres améliorations sont également présentées.

Les micro-dispositifs comportant des structures libérées et mobiles sont d'une part très sensibles aux variations de leur environnement de travail, et d'autre part très fragiles mécaniquement. L'étape de découpe du substrat en plusieurs puces est extrêmement agressive et peut entrainer la destruction totale des micro-dispositifs. L'encapsulation avant la découpe va alors prémunir les micro-composants lors de cette étape critique et continuer à garantir leur bon fonctionnement tout au long de leur utilisation en conservant la stabilité et la fiabilité de leur performance. Le conditionnement doit en outre interfacer les micro-dispositifs encapsulés avec le monde macroscopique en vue de leur utilisation. De nombreux procédés de fabrication ont déjà été développés pour l'élaboration d'un conditionnement. C'est le cas de l'encapsulation puce par puce, substrat - substrat, par couche sacrificielle par exemple. Ils sont toutefois très contraignants (encombrement, compatibilité, coût, ...). Nous avons étudié, au cours de cette thèse, un procédé innovant de conditionnement hermétique par transfert de film utilisant une couche à adhésion contrôlée. Cette technologie consiste à élaborer des capots protecteurs sur le substrat moule puis à les reporter collectivement pour encapsuler les micro-dispositifs. Ce procédé est totalement compatible avec un interfaçage électrique de composant qui traverse les cordons de scellement ou le capot. Ce procédé nécessite la maîtrise de la croissance de divers films (C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In) et permet d'obtenir des boitiers étanches, hermétiques et robustes qui devraient très rapidement pouvoir être utilisés pour le conditionnement de MEMS.

L'objectif de cette thèse est d'établir les liens entre élaboration, microstructure et comportement des getters non-évaporables (NEG) en couches minces, en vue de leur utilisation dans le cadre du packaging collectif des MEMS sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Après une étude bibliographique sur l'herméticité des MEMS et l'effet getter, la modification du comportement de piégeage de gaz par les NEG couches minces, engendré par l'ajout de sous-couches métalliques, est mise en évidence. Afin d'expliquer cette influence, la microstructure des couches minces est étudiée, notamment sa dépendance aux paramètres d'élaboration et aux traitements thermiques. Ensuite, le comportement macroscopique de piégeage de l'azote est caractérisé, de même que les mécanismes microscopiques d'activation et de pompage. Ces derniers permettent finalement d'élaborer quelques recommandations pour l'intégration des NEG couches minces dans les MEMS. / Whilst satisfying low-cost requirements, performances and lifetime of many MEMS can be enhanced by performing wafer-level packaging of devices under vacuum or controlled atmosphere conditions. However, this implies the use of non-evaporable getters (NEG) inside MEMS cavities for residual gases removal. Relationships between elaboration, microstructure and pumping behavior of NEG thin films are investigated in this thesis. After a literature review on MEMS hermetic sealing and getter effect, NEG thin films pumping behavior modification by metallic sub-layers addition is presented. Then, in order to explain this modification, elaboration parameters and thermal treatments influence on thin films microstructure is analyzed. Lastly, nitrogen gettering behavior of NEG is characterized, as well as activation and pumping mechanisms. From these results, some recommendations for NEG thin films integration in MEMS are finally proposed.

L’installation et la maintenance des ancrages passifs scellés au rocher représentent un coût important dans le budget de fonctionnement des infrastructures de transport sujettes à l’aléa rocheux. Dans ce contexte, clarifier et optimiser les méthodes de dimensionnement actuellement employées représente un enjeu fort. Or le comportement d’un ancrage passif scellé au rocher est très complexe : il fait intervenir non seulement la rupture des matériaux constituants mais également la rupture des interfaces. Par ailleurs, la résistance de l’interface barre-scellement lors de l’arrachement d’un ancrage dépend du caractère dilatant de cette interface, liée à la géométrie de la barre (verrous) et à la plastification du matériau de scellement. Le travail de cette thèse porte sur une meilleure compréhension du comportement en traction d’un ancrage passif scellé au rocher, l’objectif étant d’améliorer la conception et le dimensionnement des ancrages sollicités axialement. Premièrement, le travail a consisté à définir le comportement de l’interface barre-scellement, Pour cela, un modèle numérique a été développé afin de reproduire des essais d’arrachement, sous différentes contraintes de confinement radial, de barres d’acier de haute adhérence (HA) scellées sur une longueur de 15 cm dans un cylindre de coulis de ciment (Moosavi et al. 2005). La géométrie réelle de l’interface acier–scellement a été considérée dans le modèle. Le comportement du coulis de scellement a été représenté par un modèle de type «concrete damage plasticity» (CDP), modèle de Lubliner (1986), implémenté dans Abaqus (2012). La représentation dans une approche continue de la plastification locale et de la fissuration, a nécessité un calage pour tenir compte des effets d’échelle. Le comportement de l’interface barre-scellement a ainsi été identifié comme cohésif dommageable avec frottement, dans une bande de cisaillement de largeur entre 2 et 3 fois la hauteur des verrous. Dans l’objectif de simuler un ancrage sur le terrain, des éléments d’interface représentant le contact acierscellement (sans les verrous) ont été développés.. La performance des éléments a été testée par la modélisation d’essais réalisés par Benmokrane et al. (1995) pour des barres de HA scellées en forage dans un bloc de béton, c’est-à-dire avec des conditions-limites radiales à rigidité constante. En parallèle, afin de tester l’influence de différents paramètres (géométrie, propriétés de matériau, accessoires de mise en oeuvre) sur le comportement de l’ancrage, une campagne insitu de 36 essais d’arrachement de barres d’acier HA scellées dans un massif calcaire résistant a été réalisée. Certaines barres équipées de fibre optique ont permis d’étudier finement la mobilisation de l’interface entre la barre d’acier et le matériau de scellement lors de la sollicitation axiale. Ces observations expérimentales, comparées aux résultats de la simulation numérique des essais, ont permis de valider le modèle numérique développé et en particulier les éléments d’interface. Par ailleurs, dans nos conditions d’essais, il n’est pas noté d’effet de la longueur de scellement ou de la résistance du coulis de scellement sur la résistance de l’ancrage : la résistance est limitée par la résistance en traction de la barre d’acier. Quant à la rigidité de l’ancrage, c’est le rapport diamètre de la barre/diamètre du forage ou un coulis plus résistant qui tend à rigidifier le comportement de l’ancrage. Pour un rocher résistant et homogène, la longueur de scellement efficace est au maximum de 65cm pour les diamètres usuels de barre. Elle tend à augmenter quand le système est plus déformable : coulis de scellement moins résistant ou, pour un diamètre de barre donné, diamètre de forage plus grand. La présence de la canule d’injection ne semble pas perturber le comportement de l’ancrage. Par contre, une attention particulière doit être portée à la mise en oeuvre de la chaussette géotextile. / Fully grouted rockbolts have been used for decades for transport infrastructure exposed to rockfall hazards. However their installation and maintenance are usually costly. Therefore, understanding and optimizing of the current design method for this type of anchorage is a major challenge. This study is not simple because of the complexity of fully grouted rockbolt behavior: its failure involves not only the failure of constituent materials (rockbolt, grout, rock), but also the failure of bolt-grout and grout-rock interfaces. Moreover, the strength of bolt-grout interface depends on the interface dilatancy, which is likely linked to the geometry of ribs and to the plastification of grout material. This thesis which includes two different parts, a numerical modeling and an experimental work, contributes hence to a better understanding of fully grouted rockbolt behavior under an axial tensile load, in order to improve the current design method. Firstly the bolt-grout interface behavior in particular the force transmission between the bolt and the grout, was studied. For this purpose, a numerical model was proposed to simulate the pull-out test of a short length of 15cm of bolt grouted in a cylinder of cement hardened paste, under constant confinement pressure (Moosavi et al., 2005). In this model, the bolt-grout interface was modeled with its real geometry, including ribs. To consider the different types of behavior and failure (tension, compression and shear) of the grout, this one was modeled by the concrete damage plasticity model (CDP model), which was developed by Lubliner et al. (1986) and implemented in Abaqus (2012). Moreover, the localization of plastic strain and the fracture of grout imply different size effects, which were also taken into consideration within the calibration of the parameters of the CDP model. The bolt-grout interface behavior was also identified to be a cohesive-damage friction interface within a 2 or 3 times the height of the ribs wide shear band. From these numerical modeling results, a constitutive model for the bolt-grout interface was developed to replace the real geometry of bolt-grout contact, in order to model in-situ anchors, whose length is much longer than that of anchors in laboratory tests. The interface model was then validated by performing the numerical simulation of the pullout tests of grouted bolt in borehole drilled in concrete block, carried out by Benmokranne et al. (1995), under constant rigidity of confinement instead of constant pressure of confinement. For the second part of this study, a series of 36 pull-out field tests of fully grouted rockbolt in a rigid limestone rock wall was conducted in order to study the influence of different parameters on the behavior of rock anchors (geometry, material characteristics, accessories). Certain of the bolts equipped with optical fiber allowed bolt strains to be measured along their length, and hence, the stress mobilization along the bolt-grout interface to be studied. The comparison between experimental and numerical results permitted us to validate the numerical simulation, in particular the proposed interface model. With our field test conditions, no influence of grouting length or grout resistance on the strength of anchor was noticed and the bolt strength was limited by the tensile strength of the steel rebar. It is the ratio of bolt diameter/borehole diameter or a stronger grout that tends to stiffen anchor. In a resistant and homogeneous rock and for usual rebar diameters, the efficient grouting length is lower than 65cm. This length increases when the system is more deformable, by using a less resistant grout or a higher grout thickness. The instalation of the cannula seem not to affect the anchor’s strength. However, a particular attention must be paid to the use of the geotextile sock.

Le remodelage osseux est un processus physiologique de renouvellement de l’os ancien par de l’os nouveau. Les ostéoclastes sont des cellules multinucléées géantes dont la fonction principale est de dégrader la matrice osseuse, première étape de ce remodelage. Le travail réalisé s’inscrit dans une thématique d’expertise de notre laboratoire, celle de l’organisation du cytosquelette d’actine dans les ostéoclastes résorbants. Nous avons pu élucider le rôle de la formation des podosomes et de leur organisation collective sur l’adhérence et la migration ostéoclastique. Nos résultats ont démontré que l’assemblage de podosomes sous forme de structures circulaires dites « anneaux » exerce une force centripète sur le substrat et ainsi déclenche la migration de l’ostéoclaste. L’alternance entre apparition et disparition de ces anneaux au sein de la cellule résulte en une migration saltatoire universelle pour tous les ostéoclastes.L’objectif principal de cette thèse était de trouver de nouveaux gènes impliqués dans l’organisation des podosomes. Nous avons mis en place une analyse transcriptomique comparant les ostéoclastes avec d’autres cellules multinucléées géantes qui présentent des podosomes mais sont incapables de résorber l’os. Parmi la liste de six gènes établie par cette méthode, nous avons étudié RhoE. En exploitant la culture d’ostéoclastes primaires déplétés de RhoE, nous avons démontré que ce gène est essentiel pour la migration ostéoclastique et la résorption osseuse. Nous avons ensuite établi que RhoE agit comme antagoniste de la voie de Rock pour assurer le renouvellement d’actine au sein des podosomes, ce qui entretien la fonction ostéoclastique. / Bone remodeling is a physiological process by which old bone is replaced by new bone. Osteoclasts are multinucleated giant cells of the monocytic lineage. Their function is bone resorption, the first step of bone remodeling. The work of this thesis is in continuity with a theme long developed in our laboratory, that of the actin cytoskeleton organization in bone-resorbing osteoclasts. Our first study investigated the role of the podosome organization in osteoclast spreading, adhesion and migration. Our results showed that podosome patterning into rings exerted outward tension upon the substrate and thereby triggered cell migration. Through cycles of assembly, growth and alternating disassembly, rings promote a saltatory mode of migration universal to all osteoclasts.The main objective of this thesis, however, was dedicated to finding new genes that govern podosome patterning in resorption-related processes such as osteoclast migration and sealing zone formation. To find such new genes, we employed a differential transcriptomic analysis of osteoclasts and osteoclast-like cells that exhibit podosomes but are unable to resorb bone. Among a list of six genes highly and exclusively expressed in osteoclasts, we chose to investigate RhoE, a constitutively active GTP-binding protein known for its regulation of actin structures. We provided evidence, using primary RhoE-deficient osteoclasts, that RhoE activity is essential to bone resorption. We unveiled a new role for RhoE in the control of actin turnover in podosomes through a Rock-antagonistic function. Finally, we demonstrated that the role of RhoE in osteoclasts is essential to their migration and sealing zone formation.