Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

Résumé : Cette thèse porte sur l’élaboration d’un outil de capture d’ADN permettant d’identifier une mutation génétique (SNP) grâce à la formation de sandwichs avec des particules de carboxylatex biofonctionnalisées avec des oligonucléotides couplée à une détection de la fluorescence. Le modèle biologique choisi pour ce projet est le génotypage plaquettaire et plus particulièrement la recherche du gène biallélique HPA-1. Le principal objectif de ce travail a été d’optimiser un outil de capture préalablement développé dans l’équipe (Trévisan, 2011) afin de réduire le nombre d’étapes et de simplifier la mise en œuvre globale du test en modifiant les interactions moléculaires utilisée pour capturer l’ADN cible et en utilisant des particules fluorescentes comme élément de détection. En présence d’ADN cible, des sandwichs sont formés entre les particules fluorescentes et les particules magnétiques biofonctionnalisées. Ces sandwichs sont purifiés par séparation magnétique et la fluorescence est détectée par trois méthodes : la cytométrie en flux, l’imagerie de fluorescence et l’Evareader (détection par ondes évanescentes). Dans un premier temps, les paramètres de fonctionnalisation chimique et biologique des différentes particules (magnétiques et fluorescentes) ont été déterminés et optimisés ainsi que les conditions d’hybridation pour la capture de l’ADN cible. Ensuite, la formation des sandwichs et leur détection ont été suivies par des mesures de fluorescence en utilisant trois méthodes différentes : la cytométrie en flux, l’imagerie de fluorescence et l’Evareader (capteur à ondes évanescentes). Les résultats obtenus avec les différentes méthodes de détection sont concordants et montrent que l’outil de capture d’ADN développé permet de capturer la cible synthétique (oligonucléotide) HPA-1 en réduisant le temps d’analyse de 45 min. Dans nos conditions, le test permet de discriminer l’allèle a de l’allèle b du gène HPA-1 qui ne diffère que d’un nucléotide. Le rapport des signaux de fluorescence issus du sandwich spécifique et du sandwich non spécifique est d’environ 2,5 à 3. Ce rapport devra être amélioré par la suite, en optimisant les conditions de formation des sandwichs. La prochaine étape consistera à optimiser le système de capture d’ADN développé pour gagner en spécificité et déterminer la limite de détection du test. Ce test devra également être validé avec des échantillons biologiques. A plus long terme, la fluorescence pourra être détectée par un photodétecteur miniaturisé actuellement développé à l’Université de Sherbrooke. Des études préliminaires présentées dans ce manuscrit montrent les potentialités de ce nouveau transducteur. // Abstract : This thesis is about the development of a new assay to capture DNA. This assay is based on the formation of sandwiches between biofunctionnalized with oligonucleotides carboxylatex microparticles combined with fluorescence detection. It should be able to discriminate single nucleotide polymorphism (SNP). This assay is designed to be applied to platelet genotyping for the research of the gene HPA-1. The main goal of this work was to improve an assay previously developed (Trévisan, 2011) by INL and EFS Rhône-Alpes. The objectives are to reduce the number of steps and to simplify the test. To do so, the molecular interactions used in order to capture target DNA are modified and fluorescent microparticles are used for the detection. In the presence of target DNA, sandwiches are formed between both biofunctionnalized fluorescent and magnetic particles. Those sandwiches are purified through magnetic separation. Then, fluorescence is detected by three methods: flow cytometry, fluorescence imaging and Evareader (detection with an evanescent wave). First, chemical and biological parameters for the functionalization of the different particles (magnetic and fluorescent) are determined. The conditions for the capture of target DNA were optimized. Then, the formation and the detection of the sandwiches were estimated by measuring the fluorescence using three different methods: flow cytometry, fluorescence imaging and Evareader. The results obtained with the three methods are consistent. They show that the new system enables to capture synthetic target (oligonucleotide) HPA-1 with a reduction of total time analysis of 45 min. In our conditions, SNP can be discriminated for HPA-1 gene. For this discrimination, the fluorescence signal ratio about 2.5 to 3. This ratio should be improved by optimizing the conditions of sandwiches formation. Next step will consist in the optimization of the system developed to capture DNA in order to gain specificity and to determine the limit of detection. This test should also be validated with biological samples. In the long term, fluorescence could be detected by a miniaturized photodetector developed in the University of Sherbrook. Preliminary studies presented in this manuscript show the potentialities of this new transducer.

La séparation de sources avec un seul capteur est un problème très récent, qui attire de plus en plus d'attention dans le monde scientifique. Cependant, il est loin d'être résolu et, même plus, il ne peut pas être résolu en toute généralité. La difficulté principale est que, ce problème étant extrêmement sous déterminé, il faut disposer de fortes connaissances sur les sources pour pouvoir les séparer. Pour une grande partie des méthodes de séparation, ces connaissances sont représentées par des modèles statistiques des sources, notamment par des Modèles de Mélange de Gaussiennes (MMG), qui sont appris auparavant à partir d'exemples. L'objet de cette thèse est d'étudier les méthodes de séparation basées sur des modèles statistiques en général, puis de les appliquer à un problème concret, tel que la séparation de la voix par rapport à la musique dans des enregistrements monophoniques de chansons. Apporter des solutions à ce problème, qui est assez difficile et peu étudié pour l'instant, peut être très utile pour faciliter l'analyse du contenu des chansons, par exemple dans le contexte de l'indexation audio. Les méthodes de séparation existantes donnent de bonnes performances à condition que les caractéristiques des modèles statistiques utilisés soient proches de celles des sources à séparer. Malheureusement, il n'est pas toujours possible de construire et d'utiliser en pratique de tels modèles, à cause de l'insuffisance des exemples d'apprentissage représentatifs et des ressources calculatoires. Pour remédier à ce problème, il est proposé dans cette thèse d'adapter a posteriori les modèles aux sources à séparer. Ainsi, un formalisme général d'adaptation est développé. En s'inspirant de techniques similaires utilisées en reconnaissance de la parole, ce formalisme est introduit sous la forme d'un critère d'adaptation Maximum A Posteriori (MAP). De plus, il est montré comment optimiser ce critère à l'aide de l'algorithme EM à différents niveaux de généralité. Ce formalisme d'adaptation est ensuite appliqué dans certaines formes particulières pour la séparation voix / musique. Les résultats obtenus montrent que pour cette tâche, l'utilisation des modèles adaptés permet d'augmenter significativement (au moins de 5 dB) les performances de séparation par rapport aux modèles non adaptés. Par ailleurs, il est observé que la séparation de la voix chantée facilite l'estimation de sa fréquence fondamentale (pitch), et que l'adaptation des modèles ne fait qu'améliorer ce résultat.

La navigation visuelle des robots mobiles s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels lus séquentiellement. Le traitement de tels flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe pourtant déjà quelques agents aériens dont les performances de navigation en milieu inconnu sont remarquables, et qui pourtant fonctionnent de toute autre façon. Les oiseaux et les insectes, en particulier, montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères. Cette capacité étonnante découle de leur perception particulière de l'environnement. Si les insectes, aux faibles capacités cognitives, perçoivent leur environnement de manière si efficace, c'est grâce aux capteurs minimalistes qu'ils embarquent. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel avec à un découplage tête-corps associé à un réflexe inertiel, équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la « plate-forme visuelle » permet de simplifier les traitements visuels subséquents et de mettre en œuvre des stratégies efficaces de navigation. Toute la première partie (« capteurs visuels ») de ce travail prend appui délibérément sur un œil élémentaire composé de seulement deux photorécepteurs (deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances d'un capteur de vitesse angulaire bio-inspiré et revu le principe du capteur OSCAR, tous deux construits précédemment au laboratoire. Puis, nous avons développé et construit un nouveau type de capteur visuel, appelé VODKA, qui localise de manière ultrafine la position angulaire d'une cible visuelle. Dans la seconde partie (« réflexes visuo-inertiels »), nous avons développé un robot aérien miniature, appelé OSCAR II. Equipé de nos capteurs visuels et d'un réflexe « vestibulo-oculaire », OSCAR II, qui ne pèse que 100 grammes, est capable non seulement de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, mais aussi de la poursuivre en lacet si elle vient à se déplacer, et ce même lors de fortes perturbations aérodynamiques. Avec sa capacité additionnelle de faire des saccades oculaires, OSCAR II préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où portera leur regard.

Etude de capteurs interferometriques biréfringents a fibres monomodes. Le principe de base du capteur est la biréfringence induite dans une fibre par courbure sous traction

La métrologie industrielle est l'un des enjeux actuels de tous les secteurs d'activité qui nécessitent de réaliser un contrôle dimensionnel précis de produits afin de garantir des spécificités conformes aux normes et de tendre vers une qualité ``zéro défaut''. Les systèmes actuels utilisés s'appuient sur des technologies fondées sur la stéréométrie, la photogrammétrie, la projection de lumière structurée, la triangulation active ou le temps de vol. En général non polyvalents, encombrants, fragiles et ne pouvant s'adapter à des environnements hostiles, ces systèmes souffrent d'une limitation géométrique en raison de l'existence d'un angle mort dans lequel aucune mesure ne peut être réalisée.<br /><br />Dans cette thèse, nous proposons un nouveau capteur, le scanner conoscopique, capable d'effectuer des mesures dans les domaines macroscopiques et microscopiques, fonctionnant dans n'importe quel environnement, même hostile, très compact et utilisant de la lumière spatialement incohérente.<br /><br />Exploitant le principe de la conoscopie et donc des propriétés de biréfringence des cristaux, le scanner conoscopique est composé d'une caméra à couplage de charges (CCD), d'un système conoscopique et d'une unité de traitement de l'information. A partir des spécifications de ses performances en terme de précision au millième de millimètre sur les mesures 3D, nous avons été conduit à analyser et caractériser chaque élément de la chaîne de mesure dont la calibration est l'étape fondamentale.<br /><br />Nous avons tout d'abord développé une technique de calibration de la caméra à couplage de charges (CCD) à partir d'un modèle sténopé qui combine les paramètres intrinsèques et extrinsèques et exploitant les points d'amers. Nous avons abouti à une précision de 1.5% du champ d'analyse. Ensuite, nous avons proposé deux méthodes de calibration du système conoscopique, l'une analytique par calcul direct de la phase et exploitant les équations de l'optique et de la biréfringence des cristaux, l'autre expérimentale par dénombrement des franges d'interférence et s'appuyant sur la connaissance d'abaques incluant la variation de température, d'éclairement, la nature des matériaux et intégrant une modélisation globale du bruit d'acquisition. La validation expérimentale réalisée d'une part sur des profils géométriques simples (créneaux, escaliers...) et d'autre part sur des objets 3D réels a permis d'établir que la précision de mesure est de 1.5% du champ d'analyse.<br /><br />Ayant établi la faisabilité technologique de la calibration du système qui permet de garantir les spécifications souhaitées, nous nous sommes plus particulièrement interessé à deux configurations du scanner conoscopique : fixe et à balayage, dont nous avons analysé les performances sur des objets diffusifs pour des formes et des matériaux différents. Nous avons établi que la précision des mesures est de l'ordre du millième du champ de mesure.<br /><br />L'ensemble des contributions de cette thèse est intégré au système actuellement développé qui est par ailleurs commercialisé et utilisé dans des applications industrielles et médicales.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l'accélération de l'ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d'intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l'hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

Le travail de recherche s'intéresse au contrôle, par la lumière, des propriétés de la matière. Dans ce vaste domaine, notre équipe s'est focalisée sur les molécules organiques photochromes de type diaryléthène. Nous avons cherché à étudier des interactions de type métal-photochrome et aspirons ainsi à moduler les propriétés optiques, redox ou l'affinité des ligands pour un métal ou un ion. Un premier ligand biphotochrome de type terthiazole a été synthétisé, comportant une sphère de coordination de type Salen (N2O2) proche du cœur photochrome. Le ligand peut effectuer une réaction de photocyclisation ou un transfert de proton à l'état excité (ESIPT). Ces propriétés ont été étudiées par spectroscopie UV-Visible stationnaire et transitoire nanoseconde et femtoseconde. Ce ligand a été valorisé par la complexation et des calculs quantiques de type DFT ont permis d'apporter des éléments de réponse quant au quenching du photochromisme pour certains complexes. Une deuxième famille de photochrome-Salen a été synthétisée en éloignant la sphère de coordination du cœur photochrome. Une étude de l'influence de différents substituants sur les propriétés a été menée. Finalement, le travail se conclue par l'étude d'un système photochrome dont le potentiel redox est modulé par la réaction photochimique. Cette modulation du potentiel a permis de contrôler, par la lumière, un transfert d'électron entre le diaryléthène et un complexe métallique approprié.

L'interférométrie à rétro-injection optique, également connu sous le nom de Self-Mixing, permet de concevoir des capteurs qui sont compacts, auto-alignés et sans contact. Dans ce phénomène, une partie du faisceau laser de retour réfléchi par la cible rentre dans la cavité active de laser et fait varier ses propriétés spectrales. La diode laser agit alors comme une source de lumière, un microinterféromètre ainsi qu'un détecteur de lumière. Dans cette thèse, un capteur de déplacement, basé sur la rétro-injection optique, a été optimisé de sorte que des mesures précises peuvent être obtenues en temps réel. Le capteur est robuste à la disparition des franges de self-mixing pour des vibrations harmoniques. Il est également capable de s'adapter à un changement dans le régime de feedback optique et peut donc extraire le déplacement dans les cas les plus répandus expérimentalement, à savoir un feedback faible puis modéré. L'utilisation de l'optique adaptative, sous la forme d'une lentille liquide, a également été démontrée pour ce capteur, ce qui nous a permis de maintenir le capteur dans un régime de feedback favorable. L'influence du speckle a également été réduite de telle sorte que le capteur mesure jusqu'à la gamme centimétrique pour des cibles non- oopératives. Une nouvelle technique est également présentée, elle permet de rendre le capteur insensible aux vibrations mécaniques parasites qui fausseraient la mesure pour des conditions industrielles. / Optical Feedback Interferometry, also known as Self-Mixing, results in compact, selfaligned and contact-less sensors. In this phenomenon, a portion of the laser beam is back reflected from the target and enters the active laser cavity to vary its spectral properties. The laser diode then simultaneously acts as a light source, a micro- nterferometer as well as a light detector. In this thesis, a self-mixing displacement sensor has been optimised so that precise measurement can be obtained in real-time. The sensor is robust to the disappearance of self-mixing fringes for harmonic vibrations. It is also able to auto-adapt itself to a change in the optical feedback regime and so can extract displacement from the weak as well as moderate feedback regime signals. The use of adaptive optics, in the form of a liquid lens, has also been demonstrated for this sensor, which has allowed us to maintain the sensor in a fringe-loss less regime. The influence of speckle has also been reduced so that the sensor can now measure up to the centimetric range for non-cooperative targets. A novel technique has also been presented that makes the sensor insensitive to parasitic mechanical vibrations that would falsify the measurement under industrial conditions.

Ce travail a pour objectif de développer de nouveaux microcapteurs à onde acoustique de surface (SAW) capables de détecter le dioxyde de souffre (SO₂) à l’échelle de traces par l’intermédiaire d’une couche sensible à base d’un polymère fonctionnel. Une famille originale de cinq polyuréthaneimides (PUIs) à blocs contenant un nombre contrôlé de sites amines tertiaires de structures différentes a été synthétisée et caractérisée. Ces matériaux présentent des propriétés originales, en solution et à l’état solide, qui sont dues essentiellement à la présence des sites basiques et à la structure à blocs associant des blocs souples polyéthers et des blocs rigides en partie fluorés. Leur excellent caractère filmogène a permis leur application en tant que couche sensible au SO₂ sur des microcapteurs SAW. Deux structures de microcapteurs à onde de Love, bicouche et tri-couche, ont été développées en respectant les conditions de génération de l’onde. La structure bicouche comporte le Quartz-ST 90° comme substrat et l’un des PUIs joue le double rôle de couche guidante et sensible. Cette structure génère bien l’onde de Love mais elle présente une forte sensibilité à la température, inconvénient majeur pour les capteurs de gaz. L’ajout d’une couche guidante à base de ZnO, dans une structure tri-couche, a permis de rendre le dispositif peu sensible à la température et donc compatible avec l’application visée. Les résultats des tests de détection du SO₂ montrent que tous les PUIs étudiés contribuent à une amélioration de la sensibilité comparativement au dispositif sans couche polymère. La présence des sites amines tertiaires conduit à une amélioration importante de la sensibilité qui n’est pas seulement gouvernée par leur basicité mais également par leur encombrement stérique dont le rôle apparaît déterminant / This work aimed at developing new surface acoustic wave (SAW) microsensors capable of detecting traces of sulfur dioxide (SO₂) through a sensitive layer based on a functional polymer. An original family of five polyurethaneimide (PUI) block copolymers containing a controlled number of tertiary amine sites with different chemical structures was synthesized and characterized. These materials exhibited original properties in solution and solid state, which were mainly due to the presence of the basic sites and the block structure combining polyether soft blocks and partially fluorinated hard blocks. Their excellent film-forming character allowed their application as SO₂ sensitive layers on SAW microsensors. Two bi-layer and three-layer structures of Love wave microsensors were developed by respecting the conditions of the Love wave generation. The bi-layer structure included the Quartz ST-90° as the piezoelectric substrate and one of the PUIs acting as both guiding and sensitive layer. This structure generated the Love wave but its high sensitivity to temperature was a major drawback for gas sensors. The addition of a ZnO guiding layer in a three-layer structure led to a microsensor almost insensitive to temperature and thus compatible with the targeted application. The experimental results for SO₂ detection showed that all the PUIs contributed to improve the sensitivity compared to the device without polymer layer. The presence of tertiary amine sites led to a significant improvement in gas sensitivity which was not only governed by their basicity but also by their steric hindrance which played a determining role