L'efficacité énergétique est devenue une métrique clé de la performance des systèmes sur puce numériques, en particulier pour les applications tirant leur énergie de batteries ou de l'environnement. La miniaturisation technologique n'est plus suffisante pour atteindre les niveaux de consommation requis. Ce travail de recherche propose ainsi de nouvelles conceptions de circuits pour la génération d'horloge flexible, la mesure de puissance et de température ainsi que l'intégration de ces blocs au sein de systèmes sur puce complets.Le multiplieur de fréquence innovant en boucle ouverte proposé permet l'adaptation rapide de la fréquence générée (53MHz 0.5V - 889MHz 0.9 V). Sa surface réduite (981µm2) et faible consommation (0.45pJ/cycle à 0.5 V) facilitent son intégration dans des systèmes à basse consommation. Le capteur de puissance instrumente un convertisseur de tension switched-capacitor; validé sur deux architectures différentes, il permet une mesure de la puissance d'entrée et de sortie avec une précision de 2.5% à 6%. Enfin, un nouveau principe de capteur de température est proposé. Il exploite une méthode de calibration par body-biasing sur caisson n et un système numérique intégré pour la compensation de non-linéarité. Enfin, cette thèse illustre la manière dont ces circuits peuvent être intégrés pour assurer la gestion de consommation de systèmes complexes. Un travail de modélisation du body-biasing est proposé, illustrant sa complémentarité avec la gestion de tension d'alimentation. Puis trois exemples de stratégies de gestion de la consommation sont proposées au sein de systèmes complets. / Energy efficiency has become a key metric for digital SoC, especially for applications relying on batteries or energy harvesting. Hence, this work proposes new designs for on-chip flexible clock generator, power monitor and temperature sensor as well as the integration of those blocks within complete SoC.The novel open-loop clock multiplier architecture enables fast frequency scaling and is implemented to operate on the same voltage-frequency range as a digital core ((53MHz 0.5V - 889MHz 0.9 V). The achieved extremely low area (981µm2) and power consumption 0.45pJ/cycle 0.5 V) also ease its integration within low power SoC. The proposed power monitor instruments switched capacitor DC-DC converters, which are standard components of low voltage SoCs. The monitor has been demonstrated over two different converters topologies and provides a measurement of both the converter input and output power within 2.5% to 6% accuracy. Last, a new principle of temperature sensor is proposed. It leverages single n well body-biasing for calibration and integrated digital logic for large non-linearity correction. It is expected to achieve within 1C accuracy 0.1nJ / sample and 225 µm2 probe area. Then, this work illustrates how those circuits can be integrated within complex SoCs power management strategies. First, a modeling study of body biasing highlights the benefits it can provide in complement to voltage scaling, accounting for a wide temperature range. Last, three example of power management are proposed at SoC level.

La technologie d’identification radiofréquence (RFID) se décline aujourd’hui dans des milliers d’applications. Parmi elles nous pouvons citer les applications de gestion logistique des palettes/cartons dans les entrepôts industriels (RFID UHF) ainsi que l’identification des abonnés dans les réseaux de transports urbains (RFID HF). Depuis quelques années, des contributions scientifiques autour des technologies d’identification radiofréquence (RFID) avec un couplage capteur sont de plus en plus visibles. L’intérêt grandissant pour ce type de technologie s’appuie sur la possibilité d’une utilisation en masse de capteurs bon marchés pouvant être intégrés sur chaque objet. On parle alors d’objet connecté ou d’internet des objets (IoT). Dans cette thèse, nous nous focalisons sur l’étude et le développement d’un capteur RFID passif fonctionnant en bande UHF. Cette orientation technologique est dictée par l’application visée, l’agro-alimentaire, qui requiert des coûts de fabrication les plus faibles possibles et une distance de lecture supérieure au mètre. Pour l’élément sensible, nous utilisons un bio-polymère, plus précisément le gluten de blé dont les propriétés diélectriques en fonction de l’humidité relative ont été étudiées précédemment. Nous nous attachons à traiter toutes les problématiques liées à la communication entre un lecteur et un capteur RFID passif, l’objectif ultime de cette thèse étant de récupérer une information capteur à l’aide d’un lecteur RFID conventionnel respectant les standards du domaine et les directives radio en vigueur dans les différentes régions du monde. Pour valider cette étude, nous mettons en œuvre des capteurs-RFID pour réaliser un démonstrateur d’emballage « intelligent » permettant le suivi de la qualité des aliments. / Radio frequency identification (RFID) technology is available today in thousands of applications. Among them we can mention the logistics management applications pallets / cardboard in industrial warehouses (RFID UHF) and the identification of subscribers in urban transport networks (RFID HF). In recent years, scientific contributions around the radio frequency identification (RFID) technologies with a sensor coupling are increasingly visible. The growing interest in this type of development rely heavily on a mass use of inexpensive sensors that can be integrated on each object.It is calledconnected objects or Internet of Things (IoT). In this thesis, we focus on the study and development of a passive RFID sensor operating in UHF band. This technological orientation is dictated by the targeted application, the food industry, which requires the lowest possible manufacturing costs and a reading distance greater than one meter. For the sensitive element, we use a biopolymer, specifically wheat gluten whose dielectric properties as a function of relative humidity have been studied previously. We are committed to dealing with all the issues related to the communication between a reader and a passive RFID sensor, the ultimate objective of this thesis being to get a sensor information using a conventional RFID reader complying with the standards and the radio directives imposed in different regions of the world. To validate this study, we are implementing RFID sensors to create a smart packaging demonstrator for monitoring the quality of food.

On assiste aujourd’hui à une évolution des systèmes électroniques nomades vers des fonctionnalités plus avancées. Cette complexification des systèmes électroniques nomades nécessite une augmentation de la puissance de calcul des puces électronique, ce qui se peut se traduire par une utilisation d’une technologie CMOS agressive, mais qui se complète aujourd’hui par une technique appelée intégration 3D. Il ne s’agit donc plus d’une évolution classique à l’échelle du transistor suivant la loi de Moore mais à celle de l’échelle plus large du boîtier / système, on parle alors de la loi de « More than Moore ». L’empilement tridimensionnel (3D) des puces électroniques engendre une augmentation de la densité de puissance totale dissipée par unité de surface de l’empilement final. Cette puissance, résultant essentiellement de l’effet joule dans les transistors et l’interconnexion, est une source de chaleur qui contribue à l’augmentation de la température globale de la puce. L’objectif global de cette thèse est d’étudier les échanges thermiques dans un empilement de puces 3D durant leur fonctionnement. On s’attachera à comprendre les effets géométriques ou matériaux de l’empilement ainsi que l’impact du placement des TSV, Bumps ... sur ces échanges thermiques. L’étude s’appuie sur des simulations numériques validées par des mesures expérimentales sur des empilements 3D. Ces études numérique et expérimentale auront comme finalité de déduire des règles de dessin thermiques qui seront validées sur le dessin de circuits basiques ou plus complexes. Dans la suite, ces différents objectifs seront motivés et abordés en détail. L’établissement d’un modèle thermique basé sur des simulations en éléments finis d’un procédé industriel CMOS 65 nm 3D permettra d’aborder le problème de modélisation de la manière la plus précise possible. En effet, les précédentes simulations ont utilisé des modèles compacts – donc de moindre précision que les éléments finis – et un procédé générique qui ne reflète pas toutes les propriétés des matériaux, et en particulier celles des interfaces. Les résultats ainsi obtenus seront validés par des mesures sur des puces empilées réalisées dans le procédé considéré. Dans cette partie expérimentale, l’objectif est de déterminer une cartographie de la température dans un empilement 3D en utilisant des capteurs embarqués dans le silicium, et ce sous différentes conditions d’opération de la puce 3D. Il en ressortira un modèle numérique validé et calibré par des mesures expérimentales. / Today we are witnessing an evolution of mobile electronic systems to more advanced features. The complexity of mobile electronic systems requires an increase in computing power of electronic chips, which can lead to the use of aggressive CMOS technology, but which now completed with a technique called 3D integration. It is more of a classical evolution across the transistor following Moore's law but that of the wider scale of the packaging / system, it is called the law of "More than Moore". Three dimensional (3D) stack of electronic chip generates an increase in the density of total power dissipated per unit area of the final stack. This power, essentially resulting in the Joule effect transistors and interconnection, is a source of heat which contributes to increase the overall temperature of the chip. The global objective of this thesis is to study the heat transfer in a 3D stack of chips during operation. We will seek to understand the geometric or materials effects of the stack and the impact of the placement of TSV, Bumps ... on these heat exchanges. The study is based on numerical simulations validated by experimental measurements on 3D stacks. These numerical and experimental studies have as a goal to deduce thermal design rules that will be validated in the drawing of basic or more complex circuits. In the following, these goals will be motivated and discussed in detail. The establishment of a thermal model based on finite element simulations of an industrial process 3D CMOS 65 nm will address the problem of modelling the most accurate way possible. Indeed, previous simulations used compact models - so that the lower accuracy of finite elements - and a generic method that does not reflect all of the properties of materials, and in particular interfaces. The results obtained will be validated by measurements on stacked chips carried out within the process concerned. In the experimental part, the objective is to determine a thermal mapping in a 3D stack using sensors embedded in the silicon, and under different conditions of 3D chip process. This will provide a numerical model validated and calibrated by experimental measurements.

Les travaux effectués au cours de cette thèse concernent le développement d’un instrument à faible coût et porté sur la personne permettant le suivi quantitatif des paramètres physiologiques de la peau in vivo et de manière non invasive. L’instrument est fondé sur la technique de Spectroscopie de Réflectance Diffuse résolue spatialement (srDRS). Cette technique fournit une quantification absolue des propriétés optiques endogènes d’absorption et de diffusion du tissu sondé et possède un potentiel pour la caractérisation de ces propriétés en couches de la peau.Afin de maximiser ce potentiel, notre approche repose sur l’utilisation d’un capteur matriciel placé en contact avec le tissu et permettant l’imagerie de réflectance diffuse à haute résolution spatiale. Les travaux présentés ici comprennent la spécification et la validation d’une architecture innovante permettant la mise en œuvre de l’approche proposée, l’implémentation d’un système porté sur la personne et bas coût basé sur cette architecture et l’évaluation des performances de ce système au travers d’expérimentations à la fois sur fantômes de peau et in vivo. Les résultats obtenus valident le potentiel de l’instrument développé pour le suivi quantitatif et non-invasif des propriétés de la peau. L’approche proposée est prometteuse pour l’analyse de milieux en couches tels que la peau et ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération d’instruments portés sur la personne et bas coûts pour le suivi en continu des propriétés optiques des tissus. / This work presents the development of a low-cost, wearable instrument for quantitative monitoring of skin physiological parameters toward non-invasive diagnostics in vivo. The instrument is based on the spatially resolved Diffuse Reflectance Spectroscopy (srDRS) technique, which provides absolute quantification of absorption and scattering endogenous properties of the probed tissue volume with a potential to discriminate between properties of individual skin layers. In the developed instrument, this potential is maximized by the use of a multi-pixel image sensor to perform contact, high resolution imaging of the diffuse reflectance. This study comprises the specification and validation of a novel srDRS system architecture based on the proposed approach, the implementation of this architecture into a low-cost, wearable device and the evaluation of the device performance both on tissue-simulating phantoms and in vivo. Results validate the potential of the instrument for the non-invasive, quantitative monitoring of tissue properties. The described approach is promising for addressing the analysis of layered tissue suchas skin and paves the way for the development of low-cost, wearable devices for continuous, passive monitoring of tissue optical properties.

L’eau est une ressource vitale, indispensable à la vie sur terre. A l’instar de nombreuses autres ressources naturelles, l’eau propre à la consommation est soumise à une forte pression à cause de l’impact de l’activité humaine d’une part et de l’augmentation continue de la population mondiale d’autre part. Une pression tellement forte que l’eau propre représente l’un des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Dans ce contexte, une gestion rationnelle et durable de la ressource s’avère indispensable. Dans ce but, un système intelligent de supervision des réseaux d’eau potable peut s’avérer très utile. Les systèmes existant sont toutefois peu intégrés et compacts, nécessitent souvent une alimentation externe, et restent relativement chers pour un déploiement massif sur les réseaux. La présente thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche européen, PROTEUS, visant à pallier ces différents problèmes en mettant au point un système de mesure pour la supervision de la ressource en eau permettant la mesure de 9 paramètres physico-chimiques, reconfigurable, et énergétiquement autonome. La contribution de la présente thèse à ce projet porte sur la conception et l’optimisation des différents capteurs physiques (conductivité électrique, pression, température et débit) ainsi qu’à leur co-intégration sur une même puce. Le système proposé montre des performances au moins égales à celle de l’état de l’art en ce qui concerne la robustesse, assurée par la redondance de nombreux éléments sensibles, le domaine de sensibilité et la consommation énergétique. Le présent manuscrit est par conséquent construit comme suit : le premier chapitre est une introduction générale à la supervision de grandeurs environnementales et à la puce multi-capteurs. Le second chapitre décrit la structure de la puce multi-capteurs ainsi que les méthodes de fabrication utilisées, avec une attention particulière accordée aux capteurs de pression et de conductivité électrique. Le troisième chapitre porte sur l’utilisation de résistances électriques pour la mesure de diverses grandeurs physiques, notamment la température. Le dernier chapitre s’attarde plus particulièrement sur l’utilisation de ce type de résistances pour la mesure de débit avant de conclure et de proposer des perspectives pour des travaux futurs / Water is a vital element for every living being on the earth. Like many other dwindling natural resources, clean water faces a strong pressure because of human activity and the rapid growth of global population. The situation is so critical that clean water has been identified as one of the seventeenth sustainable development goals of the United Nations. Under these conditions, a sustainable management of water resources is necessary. For this purpose, a smart solution for water networks monitoring can be very helpful. However, commercially available solutions lack compactness, self-powering capabilities cost competitiveness, necessary to enable the large rollout over water networks. The present thesis takes place in the framework of a European research project, PROTEUS, which addresses these different problems by designing and fabricating a multi-parameter sensor chip (MPSC) for water resources monitoring. The MPSC enables the measurement of 9 physical and chemical parameters, is reconfigurable and self-powered. The present thesis addresses more precisely physical sensors, their design, optimization and co-integration on the MPSC. The developed device exhibits state of the art or larger performances with regard to its redundancy, turn-down ratio and power consumption. The present manuscript is split into two main parts: Part-I and Part-II. Part-I deals with non-thermal aspects of the MPSC, the pressure and conductivity sensor for instance, as well as the fabrication process of the whole device (Chapter 1 and 2). The background of environmental monitoring is presented in Chapter 1 along with the State of Art review. Chapter 2 describes fabrication methods of the MPSC. Preliminary characterization results of non-thermal sensors are also reported in this chapter. Chapter 3 and 4, included in Part-II, deal with thermal sensors (temperature and flow-rate). Chapter 3 describes the many possible uses of electric resistances for sensing applications. Finally, in chapter four, we focus on flowrate sensors before concluding and making a few suggestions for future works

De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS). / Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).

Le développement des systèmes de récupération d'énergie est liée à l'émergence des applications de type Internet des objets (IoT) plus spécifiquement à la prolifération des réseaux de capteurs autonomes. Les progrès réalisés ces dernières années dans le domaine des technologies de l’information et de la communication ont permis de lever certains verrous technologiques au développement de ces réseaux de capteurs intelligents et autonomes, notamment grâce à l’amélioration des performances intrinsèques des composants microélectroniques (vitesse, consommation), la conception de circuits plus économes en énergie, ou bien la mise en place de standards de communications radio adaptés à ces contraintes énergétiques. Etant donné l’ubiquité des sources d’énergie, la fabrication de générateurs permettant d’alimenter directement ces capteurs et les rendre autonomes en énergie à partir de ces sources représente une alternative viable à l’utilisation de batteries pour prolonger la durée de vie de ces capteurs communicants. Diverses technologies de générateurs ont ainsi été proposées pour s’adapter aux différentes formes que peut prendre l’énergie, qu’elle soit d’origine thermique, mécanique ou solaire. Le présent travail est une contribution à l'élaboration d’un récupérateur d’énergie thermique à base de bilames thermiques et de matériaux piézoélectriques. Ce type de générateurs, proposé et développé au sein de STMicroelectronics à Crolles, se veut être une alternative fiable et bas coût à l’utilisation de matériaux thermoélectriques exploitant l’effet Seebeck pour générer de l’énergie électrique. Des preuves de concept de tels systèmes ont déjà été développées aussi bien à macro-échelle qu’a micro-échelle. Ce travail s’inscrit dans la continuité du développement d’un récupérateur d’énergie macroscopique reposant sur ce principe-là. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’optimiser cette structure pour atteindre des niveaux de puissances plus élevés que la première preuve de concept puis dans un second temps, de réaliser son intégration afin d’effectuer des démonstrations de capteur autonome et confirmer la viabilité de la technologie développée pour de telles applications. / The development of energy harvesting systems is linked to the emergence of the Internet of Things (IoT) more specifically to the proliferation of Wireless Sensor Networks that should respond to the growing needs for monitoring data in domains as diverse as the industry, the urban environments, the home or even the human body. Recent progress in the CMOS technology have enabled to remove some of the technical obstacles to the deployment of these smart and autonomous devices, specifically thanks to the improvements of the performances of microelectronic components, the design of ultra-low-power circuits and even the creation of wireless communication standards well adapted to the needs of wireless sensors. Given the availability of ambient energy sources like mechanical, thermal, light etc., energy harvesters are becoming reliable alternatives to batteries in order to extend the autonomy of these sensors. Consequently, various technologies of generators have been developed to harvest different kind of energies in function of their availability. The present work is a contribution to the development of a thermal energy harvester based on bimetallic strips heat engine and piezoelectric membranes. This type of technology developed by STMicroelectronics is intended to be a low cost alternative to thermoelectric generators exploiting the seebeck effect to convert heat into electricity. Based on this working principle, many harvesters both at the micro and macro scale have been fabricated. This thesis deals with the development of macroscopic energy harvesters whose first proofs of concept were established in a previous thesis. An important part of this manuscript deals with the thermal optimization of this energy harvester both in static and dynamic modes. Once the thermal properties improved, various piezoelectric materials were tested and compared to find the most adapted ones to our application and the same work is realized to choose the best device’s architecture. The integration of the energy harvester is then realized and wireless sensor node applications are demonstrated using various communication protocols and sensors. SPICE modeling of the system is also made and coupled with simulations of power management circuits developed by CEA’s design team. Finally, alternative ways to exploit wasted heat and vibrations are proposed through the development of piezoelectric bimetals and dual energy harvesters able to harvest thermal energy and mechanical energy at the same time: piezoelectric bimetals are realized either by direct deposition of piezoelectric composites or piezoelectric thin films onto bimetals. In the case of the dual energy harvester, piezoelectric cantilever beams were designed and simulated to vibrate at low frequencies (between 50Hz and 125Hz).

Les polymères ferroélectriques et plus récemment les matériaux électrostrictifs ont attiré l’attention de la communauté scientifique en raison de leur capacité de conversion d’une excitation électrique en une réponse mécanique et vice versa. La synergie entre les propriétés électro actives de ces polymères et leurs propriétés physico-chimiques intrinsèques (souplesse, légèreté, grande résistance mécanique, facilité de mise en œuvre etc.) en font des candidats de choix pour des applications de types capteurs et actionneurs souples. Cette thèse vise à déterminer de façon systématique le comportement électromécanique des terpolymères P (fluorure de vinylidène-trifluoréthylène-chlorotrifluoroéthylène) [P (VDF-TrFE-CTFE)] par des techniques de cristallisation et de technologies additives et entend étendre ces terpolymères à l'application des dispositifs de type capteur de force électromécanique. L'influence du traitement thermique sur la réponse électromécanique et la microstructure des terpolymères a d'abord été étudiée. Il a été mis en évidence que la déformation électrostrictive transversale S31 pour chaque terpolymère traité thermiquement suit une loi quadratique avec le champ électrique. Par ailleurs il a été démontré que la déflexion d’un actionneur unimorphe est maximisée pour une fraction de phase cristalline de 39,3%. La dynamique moléculaire des terpolymères cristallisés a également été étudiée par spectroscopie diélectrique à large bande. Une dynamique segmentaire contrainte a été observée dans le terpolymère contenant la fraction cristalline la plus élevée pour laquelle une distribution étroite du temps de relaxation a été mise en évidence. En outre, il a été démontré que l’ajout d’agent plastifiant permet d’augmenter de manière significative la réponse électromécanique des terpolymères fluorés, ouvrant la voie vers de nouveaux matériaux électrostrictifs hautes performances fonctionnant sous faible champ électrique. De plus, la réponse diélectrique et électromécanique accrue du terpolymère dopé a été étudiée par microscope à force atomique et spectroscopie diélectrique dynamique. Ces analyses ont permis de lier l’augmentation de la réponse électromécanique de ces mélanges à un effet de polarisation interfaciale intensifié lors de l’augmentation de mobilité moléculaire de la phase amorphe rigide de ces terpolymères fluorés. Enfin, des dispositifs électromécaniques basés sur le polymère ferroélectrique P (VDF-TrFE) et le terpolymère électrostrictif P (VDF-TrFE-CTFE) ont été élaborés. Un procédé de fabrication additive utilisant la technologie d'impression jet d'encre a permis de concevoir et valider la faisabilité de réalisation de capteurs de force dynamique. Il a alors été démontré que les propriétés pseudo-piézoélectriques du terpolymère électrostrictif sont équivalentes à celles du copolymère ferroélectrique pour un faible champ électrique de biais de 7,5 V /μ / Electromechanical coupling effect has been paid the increasing attention due to ability to realize conversion between electric excitation and mechanical response and vice versa. Thanks to their flexibility, light weight, relatively low mechanical strength, ease of processability into large-area films, and ability to be molded into desirable geometric dimensions, polymers materials which possess an electromechanical coupling effect have been emerging recently. This thesis aims to systematically determine the electromechanical behavior of the P(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) [P(VDF-TrFE-CTFE)] terpolymers via crystallization and additive technology approaches and intend to extend such terpolymers to the electromechanical force sensor devices application. The influence of the thermal processing on the electromechanical response and microstructure of the terpolymers were firstly investigated. Cantilever unimorph bending measurement found the tip displacement δ and transverse strain S_31 for each thermally treated terpolymer followed a quadratic correlation with the electric field. δ was maximized at a 39.3% crystal content, instead of S_31 peaking at lowest crystal content, showing an exponential decay against the crystal fraction increasing. The dynamics of crystallized terpolymers were additionally studied via broadband dielectric spectroscopy. Constrained segmental dynamics was observed in the terpolymer containing the highest crystal fraction for which a narrow relaxation time distribution was found. Moreover, the enhanced dielectric and electromechanical response of DEHP doped terpolymer were interpreted via morphology microstructure and molecular mobility analysis. Interfacial polarization shifted to the high frequency by one decade because of dopant DEHP. Finally, electromechanical devices based on ferroelectric P(VDF-TrFE) and electrostrictive P(VDF-TrFE-CTFE) towards the dynamic force sensor implementation were designed and fabricated via inkjet printing technology. The bias electric field for terpolymer sensor was much lower than the poling electric field for a copolymer sensor. And the piezoelectric properties equivalent to the corresponding copolymer sensor can be obtained for a bias as low as 7.5 V/μ

Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent le domaine de la localisation et la reconstruction 3D par vision artificielle. Dans ce contexte, la trajectoire d’une caméra et la structure3D de la scène filmée sont initialement estimées par des algorithmes linéaires puis optimisées par un algorithme non-linéaire, l’ajustement de faisceaux. Cette thèse présente tout d’abord une technique de recherche de l’amplitude de déplacement (recherche linéaire), ou line search pour les algorithmes de minimisation itérative. La technique proposée est non itérative et peut être rapidement implantée dans un ajustement de faisceaux traditionnel. Cette technique appelée recherche linéaire algébrique globale (G-ALS), ainsi que sa variante à deux dimensions (Two way-ALS), accélèrent la convergence de l’algorithme d’ajustement de faisceaux. L’approximation de l’erreur de reprojection par une distance algébrique rend possible le calcul analytique d’une amplitude de déplacement efficace (ou de deux pour la variante Two way-ALS), par la résolution d’un polynôme de degré 3 (G-ALS) ou 5 (Two way-ALS). Nos expérimentations sur des données simulées et réelles montrent que cette amplitude, optimale en distance algébrique, est performante en distance euclidienne, et permet de réduire le temps de convergence des minimisations. Une difficulté des algorithmes de localisation en temps réel par la vision (SLAM monoculaire) est que la trajectoire estimée est souvent affectée par des dérives : dérives d’orientation, de position et d’échelle. Puisque ces algorithmes sont incrémentaux, les erreurs et approximations sont cumulées tout au long de la trajectoire, et une dérive se forme sur la localisation globale. De plus, un système de localisation par vision peut toujours être ébloui ou utilisé dans des conditions qui ne permettent plus temporairement de calculer la localisation du système. Pour résoudre ces problèmes, nous proposons d’utiliser un capteur supplémentaire mesurant les déplacements de la caméra. Le type de capteur utilisé varie suivant l’application ciblée (un odomètre pour la localisation d’un véhicule, une centrale inertielle légère ou un système de navigation à guidage inertiel pour localiser une personne). Notre approche consiste à intégrer ces informations complémentaires directement dans l’ajustement de faisceaux, en ajoutant un terme de contrainte pondéré dans la fonction de coût. Nous évaluons trois méthodes permettant de sélectionner dynamiquement le coefficient de pondération et montrons que ces méthodes peuvent être employées dans un SLAM multi-capteur temps réel, avec différents types de contrainte, sur l’orientation ou sur la norme du déplacement de la caméra. La méthode est applicable pour tout autre terme de moindres carrés. Les expérimentations menées sur des séquences vidéo réelles montrent que cette technique d’ajustement de faisceaux contraint réduit les dérives observées avec les algorithmes de vision classiques. Ils améliorent ainsi la précision de la localisation globale du système. / The works presented in this manuscript are in the field of computer vision, and tackle the problem of real-time vision based localization and 3D reconstruction. In this context, the trajectory of a camera and the 3D structure of the filmed scene are initially estimated by linear algorithms and then optimized by a nonlinear algorithm, bundle adjustment. The thesis first presents a new technique of line search, dedicated to the nonlinear minimization algorithms used in Structure-from-Motion. The proposed technique is not iterative and can be quickly installed in traditional bundle adjustment frameworks. This technique, called Global Algebraic Line Search (G-ALS), and its two-dimensional variant (Two way-ALS), accelerate the convergence of the bundle adjustment algorithm. The approximation of the reprojection error by an algebraic distance enables the analytical calculation of an effective displacement amplitude (or two amplitudes for the Two way-ALS variant) by solving a degree 3 (G-ALS) or 5 (Two way-ALS) polynomial. Our experiments, conducted on simulated and real data, show that this amplitude, which is optimal for the algebraic distance, is also efficient for the Euclidean distance and reduces the convergence time of minimizations. One difficulty of real-time tracking algorithms (monocular SLAM) is that the estimated trajectory is often affected by drifts : on the absolute orientation, position and scale. Since these algorithms are incremental, errors and approximations are accumulated throughout the trajectory and cause global drifts. In addition, a tracking vision system can always be dazzled or used under conditions which prevented temporarily to calculate the location of the system. To solve these problems, we propose to use an additional sensor measuring the displacement of the camera. The type of sensor used will vary depending on the targeted application (an odometer for a vehicle, a lightweight inertial navigation system for a person). We propose to integrate this additional information directly into an extended bundle adjustment, by adding a constraint term in the weighted cost function. We evaluate three methods (based on machine learning or regularization) that dynamically select the weight associated to the constraint and show that these methods can be used in a real time multi-sensor SLAM, and validate them with different types of constraint on the orientation or on the scale. Experiments conducted on real video sequences show that this technique of constrained bundle adjustment reduces the drifts observed with the classical vision algorithms and improves the global accuracy of the positioning system.

En vue d'applications futures dans le domaine de la récupération d'énergie à basse température à partir de microsystèmes, la connaissance des transferts thermiques aux parois est d'une grande importance. Ces mesures sont réalisées à l'aide de capteurs spécifiques qui permettent de connaître le flux thermique total échangé entre la paroi sur laquelle ils sont installés et le milieu environnant. Cette étude se situe dans le cadre du développement de fluxmètres thermiques a gradient répondant aux contraintes liées aux machines thermiques de type micro-moteur Stirling. Six types de fluxmètres thermiques à sondes à résistance ont été développés à partir de différents matériaux, géométries et formes de capteurs. Une étude électrothermique, prenant en compte l'effet d'auto-échauffement, a été menée et validée expérimentalement. Les techniques de fabrication et de caractérisation, opérés majoritairement en salle blanche, ont permis de réaliser de nombreux capteurs à couches minces. Des supports spécifiques pour ces capteurs ont été développés. Ces capteurs de flux thermique, dont les résistances ont été étalonnées par rapport à une sonde de référence de haute précision, permettent également la mesure de la température. Pour mesurer la densité de flux thermique, deux méthodes ont été testées. La première méthode est indirecte : elle consiste à mesurer le gradient de température à l'aide de deux sondes à résistance en platine. La deuxième méthode est directe : elle repose sur un étalonnage en flux. Enfin, l'influence de l'intrusion des capteurs sur le répartition des flux thermiques dans la pièce à mesurer, avec ou sans support spécifique, a été étudiée. / For future applications in the field of low-temperature energy have sting in microsystems, knowledge of wall heat transfer is of great importance. These measurements are carried out using specific sensors which makes possible to know the total heat flux exchanged between walls and the surrounding environment. This study concerns the development of a gradient heat flux sensor compliant with their requirements associated with thermal machines such as micrometric Stirling engines. Six types of heat flux sensor with resistance temperature detector have been developed from different materials, with various geometries and shapes of sensing elements. An electro thermal study, taking into account the self-heating effect, was carried out and experimentally validated. The fabrication and characterization techniques, mainly carried out in clean rooms, allowed to produce numerous thin-film sensors. Specific housings for these sensors have been developed. These heat flux sensors, whose resistances have been calibrated with a highly accurate reference probe, also allow measuring the temperature. To measure the heat flux density, two methods were tested. The first method is indirect : it consists in measuring the temperature gradient using two platinum resistance probes. The second method is direct : it is based on heat flux calibration. The calibration and measurement benches have been modeled. Then, the experimental and numerical results have been compared. Finally, the influence of the sensor intrusion on the thermal fluxes distribution in the investigated sample, with or without a specific housing, has been studied.