La complexité des nouveaux systèmes ne cesse de grandir, en terme d’intégration de multiples technologies, de nombre de composants, ainsi qu’en terme de performances attendues. De plus, leur phase de conception doit également garantir la tenue de délais stricts pour un coût maîtrisé. Beaucoup de ces systèmes doivent notamment fournir des performances élevées en terme de Sûreté de Fonctionnement (SdF). Les analyses de SdF à mener dans ces cas doivent concilier temps et qualité d’étude, être réalisées à des niveaux de description parfois peu élevés et être capables de traiter de multiples technologies. C’est pourquoi nous avons cherché durant cette thèse à décrire une méthode d’analyse de la SdF des systèmes complexes, intégrée aux méthodes d’Ingénierie Système (IS) utilisées, que nous avons nommé MéDISIS. Les travaux de cette thèse s’attachent donc à rendre plus efficaces les analyses de SdF au cours du processus d’IS, en créant des outils et méthodes intégrés aux outils actuels de conception et proposant un support efficace pour les études SdF. Les méthodes d’Ingénierie Système Basée sur les Modèles sont les plus efficaces pour la création de tels systèmes. Nous plaçons donc ces travaux dans un référentiel utilisant un modèle central, que nous supposons écrit en SysML. Nous avons alors approfondi 3 axes de recherches : Utiliser le langage SysML comme point d’ancrage du processus d’IS intégrant les analyses de SdF, Extraire des diagrammes SysML fonctionnels les informations nécessaires aux études de risques et Exploiter les représentations SysML pour les études formelles de SdF. Dans ce contexte, nous illustrons l’emploi de MéDISIS sur la problématique du projet CAPTHOM, dont l’objectif est de bâtir une solution innovante pour la détection de présence humaine. Cette recherche nous conduit à la réalisation d’un simulateur de réseau de capteurs capable d’évaluer la réponse à des scénarios de stimulation et d’optimiser le placement des capteurs. / The design processes of new innovative systems must be able to master the increasing complexity brought by the need of integrating multiple technologies, utilized by even more components with high awaited performances. Moreover, stakeholders impose strict delays and costs on their development phase. Many of those systems are intended to possess strong reliability performances. This kind of system must include in their design phase complicated reliability analysis, within a limited time and with limited resources. Therefore, we tackle in this thesis the construction of a methodology, named MéDISIS, for integrating reliability analysis in the design processes using Model-Based System Engineering techniques. The main goal of this work is to make the reliability analysis more efficient during the engineering process, by creating methods and tools using or being included in the current design softwares utilised by system engineers. As we assume that SysML is the best language for Model-Based System Engineering, we developed 3 axes: Using SysML as the language used for the central model of all developments. Extracting the needed information on the dysfunctional behaviour, from functional SysML description studied with classic FMEA-like techniques. Setting translations between SysML descriptions and formal models for reliability studies. Finally, the use of MéDISIS is exemplified on the CAPTHOM project, aiming at developing a new human presence sensor. This study leads us to create a simulation and optimisation software for sensor networks design.

Ce travail de thèse a pour sujet la conception des cellules solaires photovoltaïques à base de pérovskite hybride par le biais de la technologie d’impression jet d’encre. Les deux premiers chapitres font la présentation du contexte de la thèse, à savoir l’alimentation d’un réseau autonome de capteurs, et passent en revue les aspects scientifiques des technologies jet d’encre et photovoltaïque de nouvelle génération. Le troisième chapitre présente la mise au point d’une cellule photovoltaïque à l’état de l’art et son évolution vers une architecture imprimable à basse température de recuit. La problématique de la stabilité des cellules photovoltaïques à pérovskite est aussi abordée. La dernière partie présente les différents aspects et problématiques de l’impression par jet d’encre des trois couches internes d’une cellule solaire pérovskite. Au terme de ce travail la possibilité d’imprimer des cellules solaires pérovskites avec des rendements supérieurs à 10 % a été démontrée, le tout en condition ambiante et à basse température. / This thesis is about the design of photovoltaic solar cells based on hybrid perovskite using inkjet printing technology. The first two chapters present the context of the thesis, namely the powering of an autonomous sensor network, and review the scientific aspects of inkjet and photovoltaic technologies. The third chapter presents the development of a state-of-the-art photovoltaic cell and its evolution towards a printable architecture at low annealing temperatures. The problem of the stability of photovoltaic cells with perovskite is also discussed. The last part presents the different aspects and problems of the inkjet printing of the three inner layers of a perovskite solar cell. At the end of this work the possibility of printing perovskite solar cells with efficiencies higher than 10% has been demonstrated, all in ambient conditions and at low temperature.

Le concept de l'avion plus électrique a conduit les industriels à focaliser une partie de leurs efforts sur les risques liés à l'utilisation de la haute tension dans un environnement sévère (Basse pression, large plage de température et d'humidité …). Les risques associés sont l'existence et le développement de décharges partielles conduisant à terme à la défaillance du système dans lequel, elles se produisent. Considérant cette problématique, le groupe Liebherr Elektronik GmbH, en collaboration avec le laboratoire Laplace, a lancé l'étude d'une méthode permettant de détecter les décharges partielles dans des convertisseurs destinés à des applications aéronautiques. Ce sont les résultats de ce travail qui font l'objet de cette thèse. La première partie fait état des connaissances actuelles sur les décharges partielles, de leur nature physique aux méthodes de détection utilisées. Dans la seconde partie, trois phases de mesures validant l'efficacité de la méthode étudiée sont présentées et leurs résultats sont discutés. Enfin, dans une troisième partie, les conclusions de nos travaux et leurs perspectives sont présentées. / The more electrical airplane concept led industrial companies to focus a part of their efforts on risks linked to the use of high voltage in a severe environment (Low pressure, wide range of temperature and humidity …). Associated risks are the existence and the growing of partial discharges ultimately leading to the breakdown of the system in which they occur. Considering this problematic, the Liebherr Elektronik GmbH group, in collaboration with the Laplace laboratory, launched the study of a method allowing partial discharges detection in converters intended to be used in aeronautical applications. The results of this work are the subject of this thesis. The first part brings the status of the current knowledge about partial discharges from their physical nature to the detection methods which are used. In the second part, three measurement phases assessing the efficiency of the studied method are introduced and their results discussed. Finally, in the third part, the conclusionsof our works and their perspectives are presented.

La cavitation est un enjeu majeur dans de nombreux systèmes hydrauliques à cause des chutes de performances, des vibrations et de l'endommagement qu'elle peut générer.Cette thèse est dédiée au phénomène d'érosion par cavitation et vise à proposer des outils pour quantifier le potentiel érosif d'un écoulement cavitant.La géométrie retenue est celle d'un hydrofoil symétrique basé sur un NACA0015 avec une partie plane entre 27% et 70% de la corde pour faciliter la mise en place de capteurs.L’étude se focalise sur une cavitation par poche oscillante se développant au bord d’attaque de l’hydrofoil.Les essais sont réalisés dans le tunnel hydrodynamique du LEGI, rénové en partie pour répondre aux nouveaux besoins de cette thèse.En parallèle, des calculs numériques sont menés avec le code de calcul 2D instationnaire cavitant IZ développé au LEGI.L'écoulement cavitant est analysé sur la base de vidéos rapides et de simulations numériques.Cette analyse permet de déterminer la dynamique de la poche, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers, ainsi que l'influence des paramètres hydrodynamiques (vitesse de l'écoulement, incidence du profil, nombre de cavitation) sur le comportement de la poche.De forts effets tridimensionnels observés expérimentalement rendent difficile la prévision de la dynamique de la poche avec le code bidimensionnel.Cependant, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers sont bien prévues numériquement.Une matrice de huit capteurs PVDF, de surfaces actives 2x2 mm$^2$, est fabriquée et collée sur l’hydrofoil entre 30% et 67% de la corde. Cette instrumentation permet de mesurer les pics de pression dus à l'implosion des structures de vapeur à une fréquence d'acquisition de 10~MHz sur huit voies en simultané.L’agressivité de l’écoulement cavitant est déterminée expérimentalement à partir de la distribution de la fréquence des pics de pression en fonction de leur amplitude.Numériquement, un paramètre d’agressivité est défini à partir d’un modèle développé précédemment au LEGI.Il permet d’estimer une agressivité instantanée et moyenne à la surface de l’hydrofoil.Des études locales sur l’agressivité instantanée et moyenne numériques permettent d’identifier l’origine des zones les plus agressives. Une comparaison qualitative entre expérience et numérique montre que le calcul numérique surestime l’agressivité au voisinage du bord d’attaque.Globalement, les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord pour une faible incidence et montrent que la zone de plus forte agressivité est localisée au niveau de la fermeture de poche et que la vitesse de l'écoulement a une forte influence sur le niveau d'agressivité. / Cavitation is a major issue in hydraulic machinery, due to its negative consequences: performance drop, vibrations increase and damage.This PhD is dedicated to cavitation erosion and aims to propose tools in order to quantify the erosive potential of a cavitating flow.Experiments were carried out on a symmetrical hydrofoil based on a NACA0015 with a flat area between 27% and 70% of the chord length for an easy instrumentation with pressure sensors.The study is focused on partial cavitation that detaches from the leading edge of the hydrofoil and periodically sheds vapor clouds.All experiments are conducted in the LEGI cavitation tunnel, partly renovated for the new purposes of this PhD.Meanwhile, numerical calculations are performed with the in-house 2D cavitating unsteady code IZ developed at LEGI.Flow analyses are based on high-speed videos and numerical simulations.These analyses give the cavity dynamics, the maximum cavity length and the shedding frequency.The influence of the hydrodynamic parameters (flow velocity, hydrofoil angle of attack, cavitation number) on the cavity behavior is studied.Strong 3D effects observed experimentally make it difficult to predict the cavity dynamics with the two-dimensional code. Nevertheless the maximum cavity length and the shedding frequency are well predicted numerically.A matrix of eight sensors, with an active area of 2x2~mm$^2$, was made and flush mounted on the hydrofoil between 30% and 67% of the chord length.These sensors allow measuring pressure peaks due to the collapse of vapor structures on the hydrofoil surface. Acquisitions are made simultaneously on the eight sensors at a sampling rate of 10 MHz.The flow aggressiveness is estimated experimentally from the peak frequency distribution as a function of the peak amplitude.Numerically an aggressiveness parameter is defined from a model developed previously at LEGI. This parameter allows estimating an instantaneous and mean aggressiveness at the surface of the hydrofoil.The origins of the most aggressive areas are identified from local studies.Comparison between experimental and numerical results shows that the numerical approach overestimates the aggressiveness close to the hydrofoil leading edge.Globally, the experimental and numerical results are in pretty good agreement for low incidence.The most aggressive area is localized at the cavity closure and the flow velocity has a huge influence on the aggressiveness level.

Bien que son utilisation requière plus de paramètres que les méthodes traditionnelles la méthode des éléments finis est de plus en plus utilisée pour la conception, des ouvrages géotechniques. Son utilisation nécessite notamment la définition du champ initial des contraintes qui reste très difficile à estimer et mesurer.Ce travail de thèse est une contribution à une meilleure connaissance de l'état initial des contraintes dans une pente. La thèse comporte des études numériques et expérimentales.Les études numériques évaluent, dans un premier temps, la variation des résultats des calculs par la méthode des éléments finis induite par l'incertitude sur l'état initial des contraintes. Dans un deuxième temps, la distribution des contraintes suite à la modélisation d'une pente au moyen du logiciel CESAR-LCPC est étudiée. L'influence des paramètres géologiques, géométriques et mécaniques sur le champ initial des contraintes est étudiée.L'objectif de l'étude expérimentale est de mesurer, avec des capteurs de pression totale fonçables, les contraintes horizontales dans une pente. La campagne expérimentale opte pour un suivi de la relaxation des contraintes horizontales jusqu'à la stabilisation des mesures. Des essais en laboratoire, réalisés au CEREMA à Aix en Provence, incluent des essais œdométriques à mesure de K0 qui donnent des valeurs du coefficient de pression des terres au repos mesuré en laboratoire. Les difficultés liées à la mesure du coefficient de pression des terres au repos et les paramètres qui peuvent l'influencer (nature des terrains, variations de teneur en eau, etc.) sont discutés / Though the finite element method requires more input data than traditional methods, it is increasingly used for the design of geotechnical structures. Its use needs to define initial stresses, which are difficult to estimate or to measure.This thesis is a contribution to a better understanding of the initial stresses in a slope. It consists of both numerical and experimental studies.The numerical studies focus on two issues. At first, they assess the effects of initial stresses on the results of calculations using finite element methods. Secondly, the distribution of stresses in a slope is analysed, using CESAR-LCPC finite elements software. The influence of geological, geometric and mechanical parameters on the state of stresses is studied.The objective of the experimental studies is to measure the lateral stresses in a slope using push-in total stress cells. The stresses are measured continuously in order to estimate the stresses in the ground after the dissipation of the effects of installation procedure. Laboratory tests made at CEREMA in Aix-en-Provence include “K0 oedometer tests” which provide measures of the coefficient of earth pressure at rest. The difficulties associated with the measurement of the coefficient of earth pressure at rest and the parameters that can influence it (type of soil, geometry of soil mass, water content ...) are discussed

L'avancement de la technologie durant ces dernières années a permis aux imageurs d'atteindre de très hautes résolutions. Ceci a rendu les images plus riches en détails. D'un autre côté, une autre limitation se présente à ce niveau; celle du nombre de bits limité après la conversion analogique numérique. De ce fait, la qualité de l'image peut être affectée. Pour remédier à cette limitation et garder une meilleure qualité de l'image en sortie de son système d'acquisition, l'information lumineuse doit être codée sur un grand nombre de bits et conservée durant tout le flot de traitement pour éviter l'intervention du bruit et la génération des artefacts en sortie du système. En outre, le traitement numérique de chaque pixel sera coûteux en consommation d'énergie et en occupation de surface silicium.Le travail effectué dans cette thèse consiste à étudier, concevoir et implémenter plusieurs fonctions et architectures de traitement d'image en électronique analogique ou mixte. L'implémentation de ces fonctions en analogique permet de décaler la conversion de l'information lumineuse en numérique vers une étape ultérieure. ceci permet de conserver un maximum de précision sur l'information traitée. Ces fonctions et leurs architectures ont un but d'améliorer la dynamique de fonctionnement des imageurs CMOS standard (à intégration), en utilisant des techniques à temps d'intégration variable, et des "tone mapping" locaux qui imitent le système de vision humaine.Les principes de fonctionnement, les émulations sous MATLAB, la conception et les simulations électriques ainsi que les résultats expérimentaux des techniques proposées sont présentés en détails dans ce manuscrit. / The technology progress in recent years has enabled imagers to reach a very high resolutions. This allows images to be more detailed and rich in information. On the other hand, the limited number of bites after the digital analogue conversion may drastically affect the quality of the image. To maintain the quality of the output image of the acquisition system, the luminous information should be (1) encoded on a large number of bits and (2) maintained throughout the processing flow so that to avoid noise interference and generating artifacts system output. However, the digital processing of each pixel will be energy consuming will occupy more surface silicon.The goal of this thesis is to study, design and implement several image processing functions as well as their architectures using analog and mixed electronic. Implementation of these functions shifts the analog to digital conversion to a subsequent step. This allows a maximum precision of the processed information. The proposed functions and their architectures improve the operational dynamics Standard CMOS imagers using (1) variable integration time techniques, and (2) "tone mapping" which mimics the human vision system.The experimental results based on emulations in Matlab and the electrical design show the novelty and the efficiency of the proposed method.

La technologie de récupération d’énergie correspond au processus de conversion de l’énergie ambiante en énergie électrique utile à travers l’utilisation d’un matériau ou d’un transducteur spécifique. Cette énergie ambiante est présente généralement dans l’environnement du dispositif électronique autonome. L’exploitation de cette énergie peut permettre d’alimenter des dispositifs électroniques autonomes, sans l’utilisation de batteries conventionnelles. Parmi les différentes sources d’énergie ambiantes (solaire, flux d’air, flux thermiques, vibrations, etc.), les vibrations ambiantes sont une des sources d’énergie les plus répandue et suscitent ainsi un nombre croissant de travaux de recherche. Cette thèse porte sur la conception d’un dispositif complet de récupération de l’énergie des vibrations qui est adapté à des vibrations ambiantes large bande à partir de transducteurs piézoélectriques. Le système comprend un générateur piézoélectrique qui transforme l’énergie vibratoire mécanique en énergie électrique et un circuit d’extraction qui extrait et stocke l’énergie générée dans un élément de stockage. La première partie de la thèse présente une structure linéaire intégrant deux butées mécaniques symétriques. Les performances entre cette structure et une structure linéaire classique sont comparées dans plusieurs cas d’excitation. La raideur linéaire par-morceaux de la structure proposée permet d’agrandir considérablement la largeur de la bande fréquentielle de fonctionnement du générateur piézoélectrique. La deuxième partie de la thèse propose un circuit d’extraction d’énergie avancé nommé OSECE (Optimized Synchronous Electrical Charge Extraction). Il s’agit d’une amélioration de la technique SECE (Synchronous Electrical Charge Extraction). Le circuit électronique et la stratégie de commande de commutation sont simplifiés, mais l’efficacité de conversion d’énergie est également accrue. En outre, le circuit de OSECE est une interface d’extraction faiblement dépendante de la charge, ce qui est une caractéristique favorable à la récupération d’énergie vibratoire large bande. Afin de rendre le circuit de OSECE capable de fonctionner de façon autonome, la troisième partie de la thèse propose deux méthodes d’autoalimentation dédiées à la technique OSECE. L’une est une approche électronique qui utilise des circuits de détection de maximum pour piloter les interrupteurs électroniques; l’autre est une approche mécanique qui intègre des butées mécaniques exploitées comme interrupteurs mécaniques synchrones, ceux-ci étant entraînés passivement par la vibration elle-même. Enfin, une plate-forme de démonstration pour le dispositif de récupération de l’énergie de vibration est développée et mise en œuvre au laboratoire. / Energy harvesting technology describes the process of converting ambient energy surrounding a system into useful electrical energy through the use of a specific materialor transducer. It has the ability to offer the prospect of powering autonomous electronic devices such as wireless sensor nodes without the use of conventional batteries. This thesis focuses on harvesting ambient vibration energy using piezoelectric materials, aims to address the challenge for the high performances of vibration energy harvesting devices (VEHDs) in the case of wideband vibrations. A typical piezoelectric based VEHD mainly comprises a piezoelectric generator (PEG) that transforms mechanical vibration energy into electrical energy and an energy extractioncircuit (EEC) that extracts and stores the generated energy into a storage element. Both of them need to be investigated and specially designed to enhance the power density in wideband vibrations. Consequently, the thesis starts on studying and modeling a classical linear PEG, then an advanced piecewise-linear PEG using two symmetrical mechanical stoppers is proposed and compared with the linear one. Several key parameters of the proposed PEG are discussed under the forward sweeping mechanical excitation. The different performances between the two PEGs are also presented under three kind of excitation signals. Hence, the thesis moves to study and model three EECs, which is also the major work of the thesis. Among them, standard EEC is the classical and simplest extraction circuit, but the energy conversion using this circuit is limited and strongly depends on the load. Synchronous electric charge extraction (SECE) EEC enhances the energy conversion of piezoelectric materials, it is also a load-independent circuit whose characteristic is very suitable for wideband vibrations. However, it introduces a complex switch control strategy that cannot be easily self-powered in stand-alone VEHDs. For this reason, we proposed anovel EEC named optimized synchronous electric charge extraction (OSECE) circuit. Not only the electronic circuitry and the switch control strategy are simplified, but also the energy conversion effectiveness is enhanced. The OSECE EEC is a load-weakly-dependent circuit, which is also a favorable characteristic for wideband vibration energy harvesting. The analytical expressions of the harvested powers using the above three EECs are derived and confirmed by the experimental results. Some additional energy losses in the nonlinear EECs are also listed and analyzed by using a simulation software. Since the OSECE EEC optimizes its switch control strategy, two kinds of self-powered approaches based on the OSECE technique are proposed in chapter 4. One is an electronic approach that uses peak detector (PKD) circuits to drive the switches synchronously; the other is a mechanical approach that integrates mechanical stoppers used as synchronous switches, so the switches are passively driven by the vibration itself. As a result, the second approach introduces an advanced VEHD which consists of the piecewise-linear PEG due to the mechanical stoppers and the nonlinear OSECE EEC. Finally, a power management unit which can directly provide the standard direct current (DC) voltage for the electronic modules is presented. A demonstration platform for the vibration energy harvesting technology are developed and evaluated in the laboratory environment.

Les pathologies du côlon représentent un enjeu de santé important, en effet l'incidence du cancer colorectal en France le classe au deuxième rang des cancers les plus fréquents et sa mortalité au deuxième rang des cancers les plus mortels. Lors du bilan d'extension du cancer colorectal (CCR), l'IRM est désormais une modalité de choix pour les stades avancés du cancer colorectal. Cependant, malgré des avancées significatives, les capteurs externes multicanaux employés n'autorisent pas encore une résolution spatiale suffisante pour l'observation de la paroi colorectale. Dans cette optique, l'emploi d'un capteur endoluminal pour l'observation par IRM des premiers stades du CCR présente un intérêt. Ainsi, l'objectif de ces travaux de thèse est de proposer et de développer un capteur endoluminal rigide, adapté à l'observation de la partie terminale du tube digestif (rectum et éventuellement sigmoïde). Dans un premier temps, la géométrie de ce capteur endoluminal a été optimisée pour minimiser les non uniformités en sensibilité radiale. Ainsi, il a été montré que deux boucles de courant formant entre elles un angle compris entre 50° et 70° permettent une uniformité en sensibilité radiale optimale, ce qui peut potentiellement permettre une augmentation de la spécificité et de la sensibilité de l'examen IRM pratiqué avec un capteur endoluminal. De plus, la sécurité du capteur endoluminal vis-à-vis de l'échauffement radio fréquence (RF) a été étudié et, comme le montre la littérature, l'ajout de trappes RF permet de diminuer l'échauffement RF sous les limites telles qu'elles sont fixées par la norme IEC 60601 (c'est-à-dire 1°C d''élévation de température induit par la présence du capteur et du câble de réception). Des trappes RF de références, puis des trappes RF miniaturisées, adaptées à l'insertion du dispositif par voie rectale, ont ainsi été développées puis validées sur banc de test et sur l'imageur Discovery MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). Les conditions de l'expérience visaient à maximiser cet échauffement RF par un choix judicieux de la longueur du câble de réception, du chemin de ce câble de réception et de la séquence d'acquisition. Puis, la conception de ce capteur endoluminal a été optimisée pour permettre l'acquisition d'images de diffusion par IRM et de spectres de résonance magnétique, techniques qui présentent une sensibilité particulière aux inhomogénéités de champ magnétique B0 et donc à l'effet de susceptibilité magnétique induit par l'interface entre le capteur endoluminal et les tissus de la paroi colorectale. Ainsi, un capteur endoluminal utilisant un matériau de compensation de susceptibilité comme support a été développé et comparé à un capteur endoluminal de référence pour l'acquisition de spectres de résonance magnétique. Dans un dernier temps, le capteur a été modifié, pour pouvoir acquérir des spectres de résonance magnétique du proton mais également des spectres de résonance magnétique du phosphore, tout en conservant sa géométrie. Ce dernier développement a été validé par des mesures sur banc de test et ouvre la voie pour des expériences ultérieures sur fantômes et, à long terme, in vivo / The colorectal pathologies a major public health problem, indeed it is the second most lethal cancer and its incidence is second amongst all cancers. To performer the initial assessment of the colorectal cancer (CRC), Magnetic Resonance Imaging (MRI) is, at this moment in time, the gold standard for the assessment of the latest stages of CRC. However, despite significant progress, external phased array coils do not allow a sufficient spatial resolution for the observation of the colorectal wall. In this prospect, the use of an endoluminal coil for the MRI observation of the earliest stages of the CRC seems to present an interest. Thus, in the framework of this PhD, the aim was to propose and develop a rigid endoluminal coil suited for the observation of the terminal part of the digestive tract (rectum and sigmoid).First, the geometry of the endoluminal coil was optimized to minimize the non-uniformities in radial sensitivity. Thus, it was show that two current loops forming angulated with a 50° to 70° allow for optimal radial sensitivity uniformity. This could potentially allow for an increase in specificity and sensitivity of an endoluminal MR (Magnetic Resonance) exam. Furthermore, the safety of the endoluminal coil with respect to the radiofrequency (RF) heating was assessed. And, as demonstrated in the literature, the addition of RF traps allows for a reduction of the RF heating under the limits as determined by the IEC-60601 norm (below 1°C heating induced by the coil and reception cable presence). Reference RF traps and miniaturized RF traps, suited for the insertion through the rectum of the patient, were designed, built and assessed both on the benchmark and on the MR scanner DV MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). The experiments were designed to maximize RF heating by an adequate choice of cable length, reception cable path, and acquisition sequence. Then, the design of the endoluminal coil was optimized to allow the acquisition of diffusion MRI images and magnetic resonance spectra, techniques which are particularly sensitive to the magnetic field (B0) inhomogeneities. Thus, the susceptibility effect occurring at the interface between the endoluminal coil and surrounding tissues of the rectal wall will deter significantly the performances of these techniques. A susceptibility matched endoluminal coil was thus developed, using UltemTM as a support for the coil, and was compared to a reference endoluminal coil for the acquisition of magnetic resonance spectra. Finally, the coil was modified in order to acquire both hydrogen magnetic resonance spectra and phosphorus magnetic resonance spectra, while keeping the same geometry. This last development was assessed on the bench and opens the way towards further experiments on phantom and, eventually, in vivo experiments

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM. / Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.

Le moyen infrarouge est la région spectrale comprise entre 2 et 20 µm. Cette gamme de longueurs d'onde présente un fort intérêt scientifique grâce à la présence des transitions vibrationnelles fondamentales caractéristiques d'espèces moléculaires en phase liquide ou gazeuse. Les capteurs en optique intégrée sont devenus une excellente alternative pour la détection in situ car ils présentent certains avantages sur les autres types de capteurs, tels que l'intégration des éléments dans un dispositif compact. Ils sont capables d'effectuer des détections sélectives et quantitative dans divers domaines sociétaux tels que la santé, la défense et l'environnement. Dans cette thèse, nous présentons la conception, la fabrication et la caractérisation à 7.7 µm d'un transducteur spectroscopique intégré à base de verres de chalcogénures. Des couches à base de Ge-Sb-Se ont été déposées par pulvérisation cathodique RF magnétron. Des guides d'onde de type ridge ont ensuite été mise en forme, par photolithographie et gravure sèche (gravure ionique réactive) avec un plasma de CHF3. Différentes structures ont ainsi pu être réalisées : guides droits, jonctions Y, guide en spirale ou encore guides en S. En outre, la propagation guidée a été observé à 7.7 µm et des pertes de propagation égales à 2.5 dB/cm ont été mesurées à cette longueur d'onde. Enfin, des substances chimiques en phase liquide (isopropanol et acide acétique dissous dans du cyclohexane) ont été détectées par onde évanescente. Des limites de détection égales à 2 %v/v et 0.2 %v/v ont été, respectivement, démontrées à 7.7 µm pour l'isopropanol et l'acide acétique. Enfin, des simulations ont démontré le potentiel de ce capteur intégré pour la détection de substances polluantes contenues dans l'eau ou dans l'air avec des limites de détection inférieures à celles imposées par les normes internationales de l'environnement. L'ensemble de ces résultats représente une première étape prometteuse vers le développement d'applications dans le moyen Infrarouge au sein du laboratoire Foton. / The mid-infrared is a spectral range (2-20 µ m) of great scientific and technological interest. Indeed, the strong vibrational absorption bands of numerous molecules overlap this wavelength range. Thus, the mid-infrared has become in the last years a suitable solution for chemical sensing applications in gas or liquid phase. Furthermore, on-chip sensors provide several advantages over other kind of sensors, such as high integration of elements in a compact device and low fabrication cost by an easy-going to mass production. They could allow quantitative, sensitive and selective detection for health, defense and environmental applications. This thesis presents the design, fabrication and optical characterization at 7.7 µ m of a spectroscopic optical integrated sensor based on chalcogenide glasses. Ge-Sb-Se multilayered structures were deposited by RF magnetron sputtering. Using i-line photolithography and fluorine-based reactive ion etching (RIE-ICP), ridge waveguides were processed as straight waveguide, Y-junction, spiral and S-shape waveguides. Single-mode optical propagation at 7.7 µ m was observed by optical near-field imaging and optical propagation losses of 2.5 dB/cm were measured. Finally, chemical substances in liquid phase (isopropanol - and acetic acid, both dissolved in cyclohexane) were detected at 7.7 µ m by evanescent field. Limits of detection of 2 %v/v and 0.2 %v/v are demonstrated, respectively, for isopropanol and acetic acid. Furthermore, simulations were performed to assess the potential of the optical integrated sensor to achieve limits of detection lower than environmental and health standards for air and water pollutants. These results represent a first promising step towards the development of mid-infrared applications at the Foton laboratory.