La présence croissante de diverses substances dans notre environnement, conséquencedes activités anthropiques de ces dernières décennies, a entraîné un besoingrandissant et urgent de nouveaux matériaux et dispositifs dans la quête de senseurschimiques efficaces et fiables. D'énormes progrès technologiques ont permis de mettreà disposition toute une gamme d'outils techniques pour leur développement, enprenant en compte les exigences à respecter en terme de sélectivité ou de rapidité deréponse, entre autres. Dans ce contexte, les méthodes de chimie quantique permettentune compréhension fondamentale des processus en jeu dans la détection des espèceschimiques, et par extension, l'élaboration de manière rationnelle de nouveauxmatériaux sensibles. Certaines molécules organiques pouvant être largementfonctionnalisées, elles constituent un point de départ idéal en raison des importantesmodulations possibles de leurs propriétés par des modifications structuralesappropriées.Cette étude vise à développer de manière rationnelle des chromoionophores pour lacomplexation de cations par une approche combinant méthodes de chimiecomputationnelles et caractérisation par spectroscopie optique. Deux pointsprincipaux ont été traités à l'aide de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité(DFT) et son extension dépendante du temps (TD-DFT): d'une part les relationsstructure moléculaire-propriétés optiques de chromophores, d'autre part le phénomènede complexation. En particulier, la détection de l'ion Zn2+, démontrée de manièrethéorique et expérimentale, est finalement réalisée après intégration du senseurmoléculaire dans un dispositif à fibre optique.

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

Les progrès technologiques dans le domaine de l'électronique permettent de fabriquer des composants de plus en plus petits. Avec leur miniaturisation, ces composants offrent des propriétés physiques différentes qui peuvent faire émerger de nouvelles fonctionnalités. C'est le domaine communément appelé " more than Moore ". Ce travail propose de concevoir à partir des techniques de lithographie électronique un composant capable de détecter la présence d'une espèce, même en très faible quantité. La détection se fait par la mesure de la variation de fréquence d'un résonateur mécanique, suite à l'accrétion de l'espèce sur celui-ci. La conversion mécano-électrique du signal exploite les propriétés piézorésistives du silicium. La faisabilité concernant l'intégration de ce composant sensible dans une architecture électronique visant à la fabrication d'un capteur commercialisable est ensuite étudiée. Un modèle linéaire de tous les étages élémentaires de l'architecture permet d'agencer ceux-ci dans une boucle d'auto-oscillation. Les principaux phénomènes de bruit sont aussi inclus dans le modèle afin de prédire les performances du capteur. Ces performances sont ensuite comparées à une architecture similaire utilisant une détection capacitive. Enfin, l'impact des non linéarités sur les performances est évalué.

La part de consommation d'énergie primaire d'eau chaude sanitaire (ECS) dans des bâtiments à basse consommation (BBC) devient proportionnellement importante quand comparée aux autres postes. Actuellement, l'intégration des systèmes dans les nouveaux bâtiments ne présente pas de difficulté. En revanche, le marché de la rénovation est mal exploité, et une des contraintes importante est le placement du ballon de stockage. Dans le cas où le ballon doit être placé en dehors du bâtiment, les solutions existantes ne sont pas satisfaisantes, ni d'un point de vue thermique (fortes pertes), ni d'un point de vue esthétique (réservoir visible à l'extérieur). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié une solution innovante visant à intégrer le stockage au capteur, afin de permettre une intégration complète du système au niveau de la toiture. Le critère énergétique nous a conduit à proposer un volume de stockage totalement isolé où l'apport de chaleur se produit en partie basse. Nous réalisons dans le cadre de la thèse une étude expérimentale d'une cavité à haut rapport de forme, qui nécessite la réalisation d'un système de stratification. Ce système, une plaque, a été étudié numériquement pour optimiser le placement du fluide en partie haute. Enfin un modèle global a été conçu pour les simulations de performance annuelle. Ce modèle se montre satisfaisant, et montre que la performance du système est légèrement inférieure aux systèmes classiques (thermosiphon). Les pertes thermiques ont été le facteur le plus pénalisant. Le dimensionnement d'un prototype a été réalisé, et ce dernier sera testé au cours de l'année 2012.

Cette thèse présente la conception et la mise en œuvre d'un imageur CMOS pour être utilisé dans biocapteurs intégrés basés sur Résonance Plasmonique de Surface (SPR). Tout d'abord, les conditions optimales pour la résonance plasmon dans une interface compatible CMOS / post-CMOS sont obtenus par modélisation avec COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS de Colonne Actif (CMOS-ACS) du 32x32 pixels est mis en œuvre sur une technologie CMOS 0,35 um. Dans une interface d'or-eau avec une excitation de prisme, on constate que pour les prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage optimal avec le plasmon est obtenu pour des films d'or d'une épaisseur de 50 et 45 nm, respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l'énergie de la lumière incidente est transférée à le surface plasmon pour les deux prismes respectivement, à condition que la lumière incidente, avec une longueur d'onde de 633 nm, arrive avec un angle d'incidence de 68,45° et 79,05° respectivement. Il est également obtenu qu'un changement de RIU 10-4 de l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01 ° dans l'angle de résonance de plasmons qui, dans un schéma de modulation d'intensité de lumière produit une variation de 0,08% dans la lumière réfléchie au photodétecteur. En ce qui concerne le imageur CMOS, une photodiode n-well/p-substrate est choisi comme l'élément de photodétection, en raison de sa faible capacité de jonction, ce qui conduit à un rendement élevé et le gain de conversion élevé comparativement à une photodiode n-diff/p-substrate. Des simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco produit une capacité de jonction de 31 FF et 135 fF respectivement. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et présente un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de capteur de colonne actif (ACS) pour réduire le bruit à motif fixe (Fixed Pattern Noise ou FPN en anglais) liée au le Capteur à Pixels Actif (APS) traditionnelle. En outre, Non-Corrélés Echantillonnage Double (Non-Correlated Double Sampling ou NCDS en anglais) et Delta double échantillonnage (DDS) sont utilisés comme techniques de réduction du bruit. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, et nous avons obtenu un gain en conversion de 7,3 uV/e-, une capacité de jonction de la photodiode de 22 fF, un bruit de lecture de 324,5 uV, ce qui équivaut à 45 électrons, et une gamme dynamique de 50,5 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observées dans le niveau faible de FPN du pixel et de la colonne, avec une valeur de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers l'objectif de développer une plateforme entièrement intégrée SPR pour biocapteurs, incorporant source de lumière, l'interface SPR, canal microfluidique, les éléments d'optique et imageur CMOS.

La RFID sans puce, en raison du très faible coût des tags, a ouvert une nouvelle voie pour les systèmes d'identification. Les étiquettes RFID sans puce fonctionnant dans le domaine temporel ont l'avantage d'être compatibles avec de grandes distances de lecture, de l'ordre de quelques mètres, et de pouvoir fonctionner dans les bandes de fréquence ISM. Cependant, les tags de ce type développés jusqu'à lors n'offraient qu'une faible capacité de codage. Cette thèse propose une nouvelle méthode pour augmenter la capacité de codage des tags fonctionnant dans le domaine temporel en utilisant des C-sections, c'est-à-dire des lignes de transmission repliées de manière à avoir des zones fortement couplées, ce qui leur donne un caractère dispersif. Une autre approche basée sur une technique multi-couches a également été introduite de façon à augmenter considérablement la capacité de codage. Pour terminer, la preuve de concept d'un tag-capteur d'humidité, basé sur l'utilisation de nano fils de silicium, est également présentée.

L'essor de l'industrie micro-électronique au cours des dernières années n'aurait pas été possible sans les innovations en termes de procédés de fabrication de la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) induisant une amélioration continue des performances des composants. Ces innovations doivent relever les défis technologiques inhérents à la fois à la miniaturisation ainsi qu'à la diversification croissante des composants. En réponse à ces défis, des approches de modélisation de type TCAD (Technology Computer Aided Design), permettent de réduire nettement le temps et le coût de développement de ces nouvelles technologies. Dans ce cadre, cette thèse s'intéresse à l'élaboration de modèles TCAD permettant la prise en compte des différents mécanismes physiques ayant lieu lors de l'utilisation des procédés de fabrication avancés. Dans une première partie, les mécanismes de diffusion et d'activation pour des fortes doses d'implantation ont pu être étudiés notamment dans le cas de l'implantation plasma, technique très prometteuse pour des applications de dopage conforme dans les capteurs d'image ou transistors TriGates. La mise en évidence et la modélisation d'agrégats de bore-interstitiel de grande taille ont ainsi pu être menées pour des conditions de fort dopage. Dans une deuxième partie, la diffusion et le transfert d'espèces chimiques entre différents matériaux ont été évalués. Ainsi, la perte de dose de bore dans le silicium dans les empilements " espaceurs " ainsi que la diffusion de bore correspondante dans l'oxyde ont été étudiés. De même, l'évaluation de la diffusion du lanthane pendant un recuit thermique dans les empilements de grille avec oxyde à forte permittivité diélectrique (high-k) a pu être menée. En dernière partie, l'impact de ces différents mécanismes sur le comportement électrique des composants CMOS a ainsi pu être évalué, et une amélioration de la prédictibilité des modèles TCAD a été obtenue sur les dispositifs transistors MOS ainsi que les capteurs d'image CMOS FSI (Front Side Illumination) et BSI (Back Side Illumination).

Ces travaux portent sur le développement d'un capteur capacitif de pluie à électrodes protégées fonctionnant en mode différentiel. Dans un premier temps, les propriétés électriques des différents matériaux constitutifs du capteur sont déterminées expérimentalement. A partir de considérations théoriques, nous avons établi des expressions semi-empiriques traduisant la dépendance en fréquence et en température des permittivités diélectriques, nécessaires aux calculs des capacités. Le capteur est ensuite dimensionné par simulation numérique (méthode des éléments finis) puis fabriqué selon différents procédés de dépôt pour les électrodes. Deux motifs d'électrodes sont étudiés : électrodes linéaires et électrodes interdigitées. La sensibilité à l'eau est évaluée par simulation numérique (film puis gouttes d'eau de volume variable) avant validation expérimentale. L'influence de la température sur les performances du capteur est finalement abordée : les effets de la dilatation thermique des matériaux et de la variation des permittivités diélectriques sont successivement traités. A l'issue de cette étude, l'efficacité du mode différentiel contre l'influence de la température est évaluée.

Un équipement portable moderne intègre plusieurs capteurs d'image qui peuvent être de différents types. On peut citer en guise d'exemple un capteur couleur, un capteur infrarouge ou un capteur basse lumière. Cet équipement doit alors supporter différentes sources qui peuvent être hétérogènes en terme de résolution, de granularité de pixels et de fréquence d'émission des images. Cette tendance à multiplier les capteurs, est motivée par des besoins applicatifs dans un but de complémentarité en sensibilité (fusion des images), en position (panoramique) ou en champ de vision. Le système doit par conséquent être capable de supporter des applications de plus en plus complexes et variées, nécessitant d'utiliser une seule ou plusieurs sources d'image. Du fait de cette variété de fonctionnalités embarquées, le système électronique doit pouvoir s'adapter constamment pour garantir des performances en terme de latence et de temps de traitement en fonction des applications, tout en respectant des contraintes d'encombrement.% Même si depuis de nombreuses années, un grand nombre de solutions architecturales ont été proposées pour améliorer l'adaptabilité des unités de calcul, un problème majeur persiste au niveau du réseau d'interconnexion qui n'est pas suffisamment adaptable, en particulier pour le transfert des flux de pixels et l'accès aux données. Nous proposons dans cette thèse un nouveau réseau de communication sur puce (NoC) pour un SoC dédié à la vision. Ce réseau permet de gérer dynamiquement différents types de flux en parallèle en auto-adaptant le chemin de donnée entre les unités de calcul, afin d'exécuter de manière efficace différentes applications. La proposition d'une nouvelle structure de paquets de données, facilite les mécanismes d'adaptation du système grâce à la combinaison d'instructions et de données à traiter dans un même paquet. Nous proposons également un système de mémorisation de trames à adressage indirecte, capable de gérer dynamiquement plusieurs trames image de différentes sources d'image. Cet adressage indirect est réalisé par l'intermédiaire d'une couche d'abstraction matérielle qui se charge de traduire des requêtes de lecture et d'écriture, réalisées suivant des indicateurs de la trame requise (source de l'image, indice temporel et dernière opération effectuée). Afin de valider notre proposition, nous définissons une nouvelle architecture, appelée Multi Data Flow Ring (MDFR) basée sur notre réseau avec une topologie en anneau. Les performances de cette architecture, en temps et en surface, ont été évaluées dans le cadre d'une implémentation sur une cible FPGA

Les circuits modernes sont de plus en plus sensibles aux variations technologiques et environnementales qui n'ont plus seulement un effet global sur les circuits mais aussi un effet local sur ceux-ci. Dans ce contexte, les composants reprogrammables que sont les FPGA représentent un support technologique intéressant. En effet, ces composants permettent d'adapter l'implantation physique du système grâce à une simple reconfiguration du circuit. C'est pourquoi, dans ce manuscrit, nous présentons un flot d'adaptation complet visant à compenser les variations des circuits reconfigurables. Pour cela, une étude de toutes les phases de conception des capteurs numériques est réalisée. Nous proposons ensuite une approche originale et unique de caractérisation basée sur l'analyse électromagnétique. Il est notamment montré que cette approche permet de se défaire des biais de mesure engendrés par les méthodes de mesure directe. L'utilisation conjointe des capteurs et de cette méthode d'analyse permet une caractérisation fine et précise des variations technologiques de n'importe quel type de circuit FPGA. Enfin, la cartographie issue de la phase de caractérisation permet ensuite de calibrer les capteurs pour une utilisation en ligne. Nous utilisons donc ensuite ces capteurs pour le monitoring dynamique d'un système MPSOC.