La méthode de référence pour l’évaluation de la capacité d’exercice est l’Exploration Fonctionnelle d’eXercice (EFX). En pratique, pour des problèmes de coût, de matériel et d’expertise médicale, l’EFX n’est pas réalisée chez tous les sujets dont la capacité d’exercice mérite d’être explorée. Le test de marche de 6 minutes (6MWT) ne présente pas ces inconvénients mais ne donne pas d’informations sur les adaptations physiologiques au cours de cet exercice. L’objectif de ce travail de thèse était de concevoir une méthode non invasive de monitorage des adaptations ventilatoires et locomotrices. L’accent a été porté sur le respect du caractère spontané de ces adaptations. La pléthysmographie respiratoire d’inductance (RIP) et l’accélérométrie ont été choisies pour l’évaluation de ces adaptations. Les performances de ces nouvelles méthodes de monitorage sont acceptables pour ces deux dimensions. La confrontation de notre méthode RIP au pneumotachographe, outil de référence, objective des coefficients de corrélations compris entre 0,81 et 0,96 pour le volume courant(Vt), les temps inspiratoires (Ti) et expiratoires (Te). De même, la confrontation de notre méthode accélérométrique avec le contrôle vidéographique montre des coefficients de corrélations de 0,99 pour les paramètres locomoteurs : cadence, longueur moyenne du pas et détermination automatique des distances parcourues (6MWD). La comparaison des profils ventilatoires et locomoteurs entre contrôles et sujets obèses révèle qu’une discrimination est possible (p<0,01 pour Vt, Ti, Te et p<0 ,001 pour cadence, longueur moyenne de pas et 6MWD). Ainsi, même une population sans pathologie respiratoire comme la population obèse sans comorbidités, choisie comme modèle d’étude dans ce travail, peut être discriminée par notre méthode de monitorage. Ces résultats sont encourageants au regard de l’amélioration de la prise en charge des sujets obèses et laissent entrevoir des perspectives tant au niveau technologique qu’à un niveau clinique plus large pour, par exemple, les sujets atteints de pathologies respiratoires susceptibles de limiter leur capacité d’effort. / The reference method for assessment of exercise capacity is the cardio-pulmonary exercise testing (CPET). Nevertheless, CPET is expensive, time consuming, requires specifics skills and is not used for all subjects needing exercise capacity assessment. The 6 minute walk test (6MWT) is free of these disadvantages but does not give basic information about physiological adaptation induced by walking. The aim of this study was to design a non-invasive method for ventilatory and locomotor monitoring. Respect of the spontaneous aspects of these adaptations was considered. Respiratory inductive plethysmography (RIP) was considered for ventilatory evaluation whereas locomotor adaptation was assessed with a tri-axial accelerometer. These new methods provided acceptable results for ventilatory and locomotor dimensions. Confronting our new RIP method with a pneumotachograph as a reference device, we found correlation coefficients from. 0.81 to 0.96 for determination of tidal volume (Vt), inspiratory (Ti) and expiratory time (Te). Confronting our accelerometric method with video recordings as control, we found significant correlation coefficients (r=0.99 and p< 0.001) for determination of cadence, mean step length and automatic distance covered (6MWD) during the 6MWT. Comparisons of ventilatory and locomotor pattern of control and obese without comorbidities showed that discriminating their pattern was possible (p<0.01 for Vt, Ti, Te and p<0.001 for cadence, mean step length and 6MWD). These results imply that even a population without respiratory disorders as the obese population considered in this study, can be discriminated with our monitoring method. It can be concluded that this method is promising for improvement of care to obese subjects and raises technological and clinical perspectives for subjects with respiratory disorders

Introduction : Les accéléromètres sont actuellement les appareils les plus utilisés pour mesurer le niveau d’activité physique, et ce, parce qu'ils évaluent les niveaux d'activité physique de façon objective. Toutefois, les mouvements humains sont difficiles à mesurer, et de nombreuses limitations doivent être prises en considération pour la bonne utilisation des accéléromètres. Les études présentées s’intéressent donc à la validité de la fonction podomètre des accéléromètres ainsi qu’à la validation de la composante accéléromètre d’un nouvel appareil multicapteur (SenseDoc). Méthode : Les sujets ayant participé à la première étude, qui consistait en la validation de la fonction podomètre des accéléromètres, ont marché sur un tapis roulant à trois vitesses différentes (2,5 km/h, 3,5 km/h et 4,8 km/h) pendant 5 minutes par palier. Un accéléromètre (ActiGraph GT3X) porté à la ceinture a enregistré le nombre de pas tandis qu'une caméra a enregistré la marche des participants. Pour la seconde étude, les participants portaient un accéléromètre Actigraph et un SenseDoc à la hanche. Les données brutes des accéléromètres et la mesure de la consommation d’oxygène par calorimétrie indirecte ont été mesurées lors de 14 activités réalisées en laboratoire allant de sédentaires à vigoureuses. Résultats : La première étude indique que les accéléromètres ont détecté seulement 53 % des pas à 2,5 km/h, 82 % à 3,5 km/h et 91 % à 4,8 km/h pour les personnes non obèses. Pour les personnes obèses, l'accéléromètre a détecté 47 % des pas à 2.5 km/h, 67 % à 3.5 km/h et 100 % à 4.8 km/h, des résultats significativement différents des personnes non obèses. La seconde étude confirme pour sa part que le SenseDoc est un outil valide de mesure du niveau d’activité physique. Les accéléromètres possèdent une bonne capacité prédictive de la dépense énergétique avec des valeurs de R carré de 0,84 et 0,80 respectivement pour l'Actigraph et le SenseDoc. Conclusion : À vitesse de marche lente, les accéléromètres sous-estiment le nombre de pas, et ce, dans une plus large mesure chez les personnes obèses que chez les personnes non obèses. Également, une méthode valide et transparente de transformation de données brutes d’accélérométrie a été divulguée dans l’étude avec le SenseDoc. Les travaux présentés dans ce mémoire visent à améliorer l’utilisation en milieu clinique et en recherche des accéléromètres et ouvrent la voie à une plus grande uniformité entre les études utilisant différents types d’accéléromètres. / Introduction: The accelerometers are currently the most used in the measurement of physical activity, because they assess physical activity levels objectively. However, human movements are difficult to measure, and many limitations must be taken into account for the proper use of accelerometers. The studies presented are therefore interested in the validity of the step count function of accelerometers and in the validation process of the accelerometry component of a new multi-sensor (SenseDoc). Method: The subjects who participated in the first study, which consisted of validating the pedometer function of accelerometers, walked on a treadmill at three different speeds (2.5 km/h, 3.5 km/h and 4.8 km/h) for 5 minutes per stage. An accelerometer (ActiGraph GT3X, Fort Walton Beach, FL) worn at the waist, recorded the number of steps while a camera recorded the progress of participants for comparison. In the second study, participants wore an Actigraph accelerometer and the SenseDoc, the prototype to validate. The raw accelerometers data and the measurement of oxygen consumption by indirect calorimetry were measured in 14 activities ranging from sedentary to vigorous. Results: The first study indicates that the accelerometers have detected 53% of steps at 2.5 km/h, 82% at 3.5 km/h and 91% at 4.8 km/h with non-obese individuals. In obese individuals, the accelerometer have detected 47% at 2.5 km/h, 67% at 3.5 km/h and 100% at 4.8 km/h, results significantly different from those of non-obese individuals. The second study confirms that SenseDoc is a valid device for measuring the level of physical activity. Raw-data derived calculated counts of VMAG predicted the VO2 values well, with adjusted r-squared values of 0.84 and 0.80 for the Actigraph and SenseDoc, respectively. Conclusion: At slower walking speed, accelerometers underestimate the number of steps and that, to a large extent in obese than non-obese people. Also, a valid and transparent method of processing raw accelerometer data was disclosed in the study with the SenseDoc. Studies presented in this master’s thesis will improve the clinical use and research accelerometers and paved the way for greater consistency between studies using different types of accelerometers.

Des capteurs MEMS variés peuvent être fabriqués dans une technologie CMOS standard associée à une ou plusieurs étapes de gravure supplémentaires. Dans ce contexte, le micro-usinage du substrat par la face avant permet la fabrication de capteurs résistifs bas coût, basés sur des effets piezorésistifs ou thermiques, mais non optimaux en terme de bruit et de consommation. Cependant, au lieu d'envisager une optimisation technologique du procédé, ce travail s'est plutôt concentré sur le design du capteur et de son interface électronique afin d'améliorer les performances ci-dessus. L'objet de cette thèse est un accéléromètre convectif 3 axes basé sur une topologie initialement prévue pour des mesures suivant 2 axes, dans le plan de la puce, et utilisant une mesure de température différentielle. La mesure de l'accélération dans la direction perpendiculaire au plan de la puce, sans ajouter de structure supplémentaire, est donc étudiée ainsi que l'interface électronique associée. L'originalité de la mesure suivant ce 3ème axe réside dans la mesure de la température de mode commun de la structure existante. Cette étude est réalisée par l'intermédiaire de modélisations multi-physiques et électriques du capteur, de la conception et de la simulation de l'interface électronique et enfin de la caractérisation d'un prototype complet. / In the field of MEMS, various sensors can be manufactured using a standard CMOS technology and subsequent etching techniques. In this context, The Front-Side Bulk Micromachining (FSBM) approach allows the fabrication of low-cost resistive transducers based on either piezoresistive or thermal effects. Nevertheless, such fabrication method leads to non-optimized devices in terms of noise and power consumption. Instead of constraining fabrication technology, and in order to keep fabrication costs as low as possible, this work focuses on sensor design and electronic interfaces to address both issues. In this thesis, the device under study is a 3-axis CMOS thermal accelerometer. The sensor is based on a topology that was primarily introduced for 2-axis measurements only (in-plane acceleration, xy), using differential voltage across sensing thermistors. This work addresses the overall sensing performance by using dedicated front-end electronic and also investigates an opportunity to measure out-of-plane acceleration without the requirement of an additional device. The third axis (z) is provided by measuring a shift in the common-mode temperature, which is clearly an original approach. The study is carried out by means of both physical and electrical modeling of the transducer, electronic design and simulation, and prototype characterization.

La plupart des capteurs inertiels MEMS commerciaux comportent une masse d’épreuve et des moyens de transductions issus d’une même couche de silicium. Il en découle des compromis forts, notamment pour la détection capacitive : une couche épaisse permet d’augmenter la masse et donc de réduire le bruit brownien; inversement, une couche fine permet de réduire la taille des entrefers entre les électrodes, d’obtenir une variation de capacité plus importante, et donc de réduire la contribution du bruit électronique. Plusieurs composants MEMS multicouches ont déjà été réalisés et rapportés dans la littérature, mais aucun n’a cherché à augmenter la densité capacitive tout en réduisant le bruit thermomécanique. Pourtant, la disparition du compromis lié au procédé monocouche permet d’atteindre les hautes performances nécessaires aux applications émergeantes, en conservant la surface d’un capteur grand public.Cette thèse présente des accéléromètres multicouches à détection dans le plan et hors plan. Le procédé de fabrication combine une couche épaisse, dédiée à la réalisation de grandes masses d’épreuve, et une couche fine, permettant d’obtenir de fortes densités capacitives. Ces deux avantages, combinés à une détection par variation de surface, permettent d’obtenir une résolution de l’ordre du µg/rtHz, une grande gamme dynamique, tout en conservant une taille réduite. Le dimensionnement des capteurs a cherché à maximiser la gamme dynamique et minimiser le bruit en partant d’une taille fixée. D’abord analytique, il a été validé par des simulations par éléments finis.Le procédé de fabrication VLSI a été appliqué à des plaques 200mm. Plusieurs points critiques ont été rencontrés, notamment la surgravure des fonds de tranchée (notching). Combinée à la disparité de vitesse de gravure, elle a entrainé la destruction de beaucoup de capteurs hors plan. Ce problème a été résolu en amincissant la couche épaisse, entrainant une légère perte de performances.Les capteurs ont été caractérisés sur plaque (capacité statique, fréquence de résonance), puis au niveau puce (sensibilité, niveau de bruit, gamme dynamique). Ces dernières mesures ont nécessité le développement d’une électronique dédiée, à partir de composants discrets.Les accéléromètres dans le plan présentent une capacité statique et une fréquence de résonance très proches de la théorie. Ils atteignent une résolution de 8µg/rtHz pour une gamme dynamique de l’ordre de 160g. Cette dynamique de 145dB est fournie par un composant de seulement 0.24mm² ; elle est 100 fois plus élevée que la dynamique d’un composant grand public de même taille. De plus, la bande passante est importante et le capteur est lu en boucle ouverte.Les accéléromètres hors-plan présentent une forte fréquence de résonance, au-delà de 8kHz. La masse sismique plus fine, combinée à des ressorts plus larges, explique ce décalage par rapport au dimensionnement initial. Malgré la réduction de sensibilité induite, les capteurs présentent une résolution de 50 à 80µg/rtHz. L’encombrement est faible (jusqu’à 0.22mm²) et la gamme dynamique a été évaluée à plus de 200g. Dans le futur, des corrections de design et des améliorations dans le procédé de fabrication permettront d’utiliser l’épaisseur initialement prévue, afin d’harmoniser les performances avec celles de l’accéléromètre dans le plan et d’obtenir un accéléromètre 3-axes hautes performances.Ce type de capteurs pourrait jouer un grand rôle dans les applications émergentes en fournissant une bonne stabilité, un faible bruit et une grande gamme dynamique, tout en conservant l’empreinte d’un capteur grand-public.Ce nouveau procédé de fabrication montre donc déjà un gros potentiel à travers les premiers composants réalisés, mais ouvre également de nouvelles possibilités en termes de design. Dans le futur, il pourrait servir de plateforme technologique pour les capteurs inertiels, notamment les gyromètres, mais aussi pour les actionneurs, comme les micro-miroirs. / In the vast majority of commercial MEMS inertial sensors, both seismic mass and sensing elements are patterned in the same silicon layer. This sets stringent design trade-offs, in particular for a capacitive sensor: a large silicon thickness increases seismic mass and decreases the Brownian noise floor. A low silicon thickness on the other hand, allows smaller gaps between electrodes, higher capacitance variation and lower electrical noise floor. For this reason, several examples of multi-layer MEMS devices were presented in the past. Yet, increasing capacitance density while reducing mechanical noise floor has not been achieved so far. Breaking the single-layer trade-off could enable new emerging applications that require high-performance sensors within a consumer size.In this work, multi-layer, in-plane and out-of-plane accelerometer are presented. Thanks to the multi-layer process the devices can feature a thick layer for large inertial mass, as well as a thin layer for high capacitive density. These aspects, together with surface-variation detection, allow to obtain µg/√Hz resolution and large full-scale while keeping compact size.The sensors are designed through analytical modeling and finite elements method simulations in order to reach the highest dynamic range with the lowest noise at given footprint.Few critical aspects were encountered during the fabrication of the sensors, especially for out-of-plane accelerometers. The notching of the thick-layer etching coupled to the strong lag effect caused most of the z-axis sensors to fail. This forced a reduction of the process thickness and relative loss of performance for this type of sensors.The characterization of the sensors is performed both at wafer-level (static capacitance, resonance frequency) and at die level (scale factor, noise-floor, full-scale). The die-level measurements are carried out with a dedicated electronic circuit implemented with discrete components, developed during this work.In-plane accelerometers showed static capacitance and resonance frequency in line with theory. They achieved resolution smaller than 8 µg/rtHz and full scale in the order of 160g. These aspects together lead to a dynamic range of more than 145dB (BW=1Hz) for a device with a footprint of only 0.24 mm². This it more than 100 times larger than the DR of consumer device of similar size. These results are achieved while keeping a large bandwidth and working with an open-loop readout.Out-of-plane sensors showed resonance frequency higher than expected due to fabrication tolerances. The devices had both smaller mass and thicker springs explaining the observed mechanical behavior. Despite the loss of scale factor due to the larger resonance frequency, these sensors achieved resolution ranging from 50-80 µg/rtHz. Again, such performance was obtained while keeping large resonance frequency (>8 kHz), small footprint (down to 0.22 mm²) and a potential full-scale of more than 200g. In the future, design corrections and process improvement could lead to device with thicker inertial layer, aligning the performance of out-of-plane sensors to those of in-plane ones and leading to a high-performance 3-axis accelerometer.This type of sensor could address the demand of emerging applications for high-stability, low-noise and large DR accelerometers within consumer footprint.Finally, the proposed technology offers a fabrication platform for inertial MEMS sensors and actuators. New design possibilities and great potentialities have been demonstrated with the first fabricated accelerometers. In the future this new concept could be applied to several other types of MEMS, like gyroscope or micro-mirrors.

Les microsystèmes sont des systèmes dynamiques multi-physiques. Leurs caractéristiques spécifiques, liées à leur petite dimension et aux phénomènes associés, nécessitent des études approfondies. Les méthodologies de l'automatique peuvent apporter des solutions nouvelles pour l'optimisation de ces systèmes. Dans ce contexte, ce travail de recherche s'intéresse plus particulièrement aux nonlinéarités dans les microsystèmes capteurs. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'un micro-accéléromètre asservi à sortie numérique. L'objectif principal de l'asservissement est l'amélioration de la linéarité de la mesure. L'étude s'attache à la modélisation du comportement dynamique du capteur en prenant en compte l'effet des non-linéarités (lecture capacitive et actionnement électrostatique) et à l'analyse des performances globales de la mesure (aspect dynamique, transfert de bruit et non-linéarité). Le circuit réalisant l'asservissement est conçu de manière à permettre l'utilisation d'outils de l'automatique avancée : l'identification pour la commande et la synthèse robuste de correcteur. L'architecture présentée est validée en simulation et sur un d´emonstrateur. Dans une deuxième partie, ce travail de recherche propose d'exploiter la non-linéarité dite de Duffing afin de réaliser un principe de détection original. Cette non-linéarité d'origine mécanique est fréquemment rencontrée dans les microsystèmes. Les résultats présentés ouvrent des perspectives nouvelles pour l'utilisation de structures mécaniques de dimensions nanométriques.

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche depuis mon recrutement aux fonctions de maître de conférences à l'Université Montpellier II en 2001. Cette activité est développée au sein de l'équipe « Microsystèmes », dans le département « Microélectronique » du LIRMM.<br />Le contenu de ce mémoire est organisé de façon à présenter pour chaque thème l'approche choisie et les résultats obtenus, en partant du dispositif élémentaire et en allant vers les aspects système, l'intégration et le test. Dans la section 2, je situe ces travaux dans leur contexte scientifique et dans leur chronologie afin à montrer l'évolution de notre démarche au fil des résultats obtenus. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des dispositifs élémentaires. Les aspects liés à la modélisation, au prototypage et à la caractérisation y sont développés. Nous avons travaillé sur deux principes de transduction : les capteurs piézorésistifs et les capteurs thermiques. Notre expérience dans le domaine de la fiabilité est également abordée. Le chapitre 4 concerne la conception de systèmes microélectroniques à base de MEMS. Nos contributions s'appuient sur la réalisation de deux systèmes intégrés CMOS : une boussole et un capteur d'accélération thermique. A travers ces deux exemples, je montre nos résultats à la fois sur le plan des performances obtenues sur ces systèmes et sur des aspects plus méthodologiques de conception de MEMS. Je développe à la fin du manuscrit les perspectives de ces travaux et l'orientation de mes recherches pour les prochaines années.

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Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état $left|2,2right>$. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état $left|2,1right>$. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre. / In this manuscript we report the theoretical and experimental developments, in progress at TRT, aiming at the realisation of a cold atom accelerometer. This accelerometer uses an ultra-cold non-degenerated gas which is trapped in the vicinity of an atom chip during the whole interrogation sequence.We describe an interrogation protocol allowing the sensor to be sensitive to acceleration. This protocol uses a Ramsey sequence with a spatial separation of the two interferometer states. The signal and the contrast of this interferometer are derived and the use of shortcut to adiabadicity is considered to enable fast splitting and merging of the two states. We also describe a design of the accelerometer on an atom chip. This design use two dressed microwave potentials, one for each of the two interferometer states.We described the atom cooling experiment built during this thesis. Atoms of rubidium 87 have been cooled to Bose-Einstein condensation in state $left|2,2right>$. A stimulated Raman adiabatic passage protocol using microwave fields, allows to transfer an atomic cloud (condensed or thermal) to the state $left|2,1right>$. With this atomic source the contrast of the Ramsey fringes as a function of the symmetry between the interferometer traps have been measured. The measured contrast falling time is in good agreement with the theoretical prediction for the interferometer contrast.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de micro-capteurs d'accélération à détection thermique. Ils sont basés sur la modification des échanges thermiques par convection naturelle dans un fluide chauffé localement lorsque le dispositif est soumis à une accélération. L'utilisation d'un fluide comme masse sismique est en rupture avec les concepts d'accéléromètres dits traditionnels. Cet avantage a pour conséquence directe leur tenue aux fortes accélérations. Un des objectifs de ce travail consiste à développer et à caractériser des accéléromètres à grande étendue de mesures (> 10 000 g). D'autre part, des études fondamentales menées en parallèle nous ont permis de mieux comprendre les phénomènes thermiques intervenant dans la cavité ainsi que d'en déduire l'effet des paramètres thermo-physiques du fluide, des conditions expérimentales et des dimensions géométriques du capteur sur la sensibilité et la bande passante. Par ailleurs, l'étude de nouveaux concepts de détection thermique basés sur l'utilisation de matériaux pyroélectriques a été entreprise pour aboutir à une amélioration de la sensibilité comme de la bande passante. Après la maîtrise des dépôts en couches minces, ce nouveau mode de détection a été mis en oeuvre et le principe validé.