A la recherche de la modularité et de la généricité, notre approche consiste à partir de l'idée qu'une cellule élémentaire peut être conçue, intégrée et réalisée en grand nombre. Ensuite elle va être associée en grand nombre pour pouvoir, au final, couvrir n'importe quelle application de conversion DC-DC en électronique de puissance. Ce travail de thèse a pour but tout d'abord d'introduire notre approche de manière consistante. Ensuite, un bilan de l'état de l'art autour de la même direction et aussi la présentation détaillée de notre approche sont abordés. Le coeur de la thèse se concentre sur l'étude du couplage magnétique entre les cellules élémentaires via la mise en parallèle des enroulements entre les transformateurs de puissance. Ce couplage avec notre commande aléatoire sert à la fois la réduction du filtrage et la possibilité de l'intégration des composants passifs. Enfin, le travail est bouclé par la validation expérimentale d'un réseau de 12 convertisseurs de 10W faisant une conversion DC-DC de 120W.

Cette thèse se place dans le contexte d'alimentation des systèmes électroniques nomades fonctionnant sous faible tension et faible courant. Le dimensionnement et la réalisation d'éléments passifs magnétiques intégrés, pour le stockage d'énergie à l'échelle de la commutation y est abordé pour tenir compte de la taille, la position de l'alimentation de puissance par rapport au système à alimenter ainsi que de son rendement et sa densité de puissance. De plus, face à la demande de systèmes rapides, à faible encombrement et finement régulés, les fréquences de commutation tendent naturellement à augmenter. L'intégration monolithique des composants des convertisseurs de puissance est une des solutions plausibles. Toutefois, la réalisation de tels composants pose actuellement un réel défi technologique. De nombreuses équipes travaillent depuis plus de trente ans sur le problème de l'intégration de composants magnétiques sur silicium. Ces réalisations font appel aux techniques de réalisation microélectroniques, tel la croissance électrolytique, pour le dépôt des matériaux avec des épaisseurs contrôlées. L'objectif aujourd'hui est de réaliser une inductance de 12H capable de supporter 1W avec des tensions de l'ordre du volt, dans une gamme de fréquence allant de 1MHz à 10MHz. Pour ces raisons de compacité et pour garantir une plage fréquentielle de fonctionnement suffisante, nous avons travaillé avec des structures inductives planaires spirales, similaires par la forme à celles utilisées dans le domaine de l'intégration pour les radiofréquences (RF). L'étude des phénomènes physiques liés au caractère inductif et résistif de spirales planaires à partir d'équations et d'une définition géométrique normalisée du composant a abouti vers la mise en place d'outils d'étude numérique permettant d'analyser les liens entre les paramètres géométriques et les paramètres électriques du composant. Il est alors apparu que les dimensions géométriques nécessaires à l'accompl issement du cahier des charges précédent (notamment l'objectif de très faible résistance), se heurtaient aux limites des possibilités de réalisation technologiques (facteur de forme des conducteurs, résolution spatiale). Dans le but, de dépasser ces limites, nous nous sommes intéressés à l'association série/parallèle d'inductances magnétiquement couplées. Les simulations ont démontrées qu'une marge de manoeuvre existait, permettant une optimisation des performances électriques des composants. Un procédé technologique basé sur les techniques MEMS de résine épaisse et de croissance électrolytique de cuivre, a été développé pour valider les modélisations précédentes. Ce procédé permet de réaliser de manière générique des inductances planaires classiques ainsi qu'un empilement de plusieurs bobines connectées entre elles ou non, sur un substrat silicium. Le procédé a également été mis au point sur substrat Pyrex® pour supprimer les courants induits dans le substrat, sources de perturbations pour le comportement fréquentiel de l'inductance et de la résistance. Un banc de caractérisation impédance métrique a également été conçu afin de déterminer les limites du fonctionnement fréquentiel des composants réalisés qui ont permis de valider les performances des composants Ce travail ouvre de nombreuses perspectives dans la réalisation de composants magnétiques intégrés, assurant des fonctions électroniques connues et nouvelles, notamment en démontrant la faisabilité de transformateurs avec différents rapports de transformation ainsi que de fonctions de filtrage performant.

Les matériaux oxydes possèdent une physique très riche et une large gamme de propriétés qui en font des matériaux très attractifs les applications. Notre but est d'utiliser ces matériaux oxydes pour améliorer les performances de capteurs magnétiques ultrasensibles appelés capteurs mixtes à 77K. Ces capteurs combineraient un transformateur flux champ supraconducteur en YBaCuO fonctionnant à 77K et la magnétorésistance d'une jonction tunnel dont les électrodes sont composées du manganite demi-métallique La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). Durant cette thèse, nous avons développé l'élément clé de ce capteur qu'est la jonction tunnel. Toutes les hétérostructures oxydes ont été déposées par ablation laser. Après avoir vérifié les propriétés de films minces de LSMO et obtenu une couche de référence avec des bicouches LSMO dopé Ru / LSMO, nous avons étudié des jonctions tunnel de type LSMO dopé Ru / LSMO/SrTiO3/LSMO. Sur cet empilement inédit, des magnétorésistances tunnel (TMR) allant jusqu'à 300% ont été mesurés. Le bruit a été caractérisé pour la première fois dans des jonctions tunnel oxydes. Nous nous sommes aussi intéressés au couplage antiferromagnétique à l'interface du LSMO et du SrRuO3 afin de piéger un film de LSMO. Des cycles asymétriques inhabituels ont été observés sur ces bicouches. Des mesures magnétométriques, de réflectivité de neutrons polarisés et des simulations ont alors été combinées pour comprendre le comportement magnétique des bicouches. Cette étude a montré que le couplage antiferromagnétique n'est pas homogène à l'interface entre le LSMO et le SrRuO3

Les équipementiers automobiles d’organes à hautes exigences sécuritaires travaillent sans cesse sur l’amélioration de la sûreté de fonctionnement de leurs systèmes et préparent leur insertion dans l’air du véhicule autonome. Dans ce cadre, nous avons travaillé sur la conception et le développement d’un capteur de force pour la direction à assistance électrique (DAE) avec le défi de proposer une solution sans fil, facile à fabriquer et à intégrer au système. Dans cette thèse, des travaux de modélisation et d’expérimentation ont porté principalement sur deux aspects : le capteur de force et son alimentation sans fil. Pour la mesure de force, une solution basée sur l'utilisation d'un matériau piézoélectrique a été proposée. L’utilisation d’un tel matériau pour la mesure de la composante dynamique de la force est largement répandu, cependant la mesure statique reste extrêmement réduite aux applications MEMS (mesure de pression). La technique repose sur l’onde acoustique de volume (Bulk Acoustic Wave). Un échantillon piézoélectrique inséré dans une structure, soumis à une force voit sa fréquence de résonance varier. Des travaux de modélisation analytique, éléments finis et multi-échelle ainsi que de l’expérimentation ont permis de comprendre les phénomènes physiques mis en jeux dans ce type de transducteur et de proposer des orientations pour la conception du transducteur de force optimal. Un démonstrateur a été mis en place permettant la mesure d’une force statique maximale de 1500 N. L'alimentation sans fil du capteur est assurée par la technique du couplage magnétique résonant. Vu le caractère conducteur et ferromagnétique de l’environnement du système de direction, une approche de modélisation basée sur la méthode des éléments finis et la méthode des constantes localisées a été mise en place afin d’étudier le comportement d’une telle technique dans cet environnement. Par la suite, une conception a été proposée et un prototype a été réalisé. Des mesures expérimentales ont montré que la conception répond au cahier des charges imposé par l’entreprise. / Original equipment manufacturer for automotive components with high safety requirements are continually working to improve the system safety and prepare their integration to the driverless car. Within this context, we worked on the design and development of a force sensor for the electric power steering (EPS) system with the challenge of providing a wireless solution, easy to manufacture and to integrate to the system. In this thesis, modeling and experimental activities have focused mainly on two aspects: the force sensor and its wireless power supply system. For force measurement, a solution based on piezoelectric material was proposed. The use of such material to measure the dynamic component of the force is widespread; however, static force measurement remains extremely limited to MEMS applications (pressure measurement). The technic utilizes the bulk acoustic wave (BAW). The resonance frequency of a piezoelectric specimen positioned within a mechanical structure varies with an externally applied force. Analytic modeling activities, finite element method based and multi-scale approach with experimentation activities allow the understanding of the physical mechanisms behind the observed behavior of the transducer and to propose guidance for optimal design of the force transducer. A demonstrator was set up and showed a static force measurement capability up to 1500N.The wireless power supply is achieved by the resonant magnetic coupling technique. In order to analyze the effect of the environment of the electric power steering system characterized by conductive and ferromagnetic parts, a modeling approach based on the finite element method and the lumped-element method was adopted. Afterwards, a design was proposed and a prototype was carried out. The experimental measurement shows that the design meets the company requirements.

La communication électronique dans des complexes dinucléaires du ruthénium peut être caractérisée soit par le couplage électronique Vab dans le système à valence mixte (RuII-RuIII), soit par le couplage magnétique J dans le système homovalent paramagnétique (RuIII-RuIII). L'objectif de ce travail était d'obtenir une famille de composés en faisant varier la longueur du ligand pontant et de mesurer les interactions électronique et magnétique afin d'établir une corrélation entre J et Vab.<br />Une première famille de complexes dinucléaires du ruthénium [{RuII(tpy)(acac)}2(µ-L)] (où tpy = 2,2'-6',2''-terpyridine, acac = acétylacétonate et L est un ligand pontant dicyanamide) a été synthétisée. Ces complexes, bien que prometteurs pour la mesure des couplages électroniques et magnétiques, n'ont pas pu être caractérisés et étudiés complètement en raisons des problèmes de solubilité rencontrés.<br />Une deuxième famille de composés [{RuII(tpy)(thd)}2(µ-L)] (où thd = 2,2,6,6-tétraméthylheptanedione), plus solubles de par la présence de groupements tert-butyles, a ensuite été synthétisée, la distance métal-métal variant entre 12,0 et 25,1 Å. Les formes à valence mixte RuII-RuIII de ces complexes ont été générées par électrochimie et le couplage électronique Vab déterminé par spectroscopie UV-Vis-Proche IR. On retrouve une décroissance exponentielle de ce paramètre avec la distance métal-métal. Les formes homovalentes paramagnétiques RuIII-RuIII ont été générées chimiquement et/ou électrochimiquement, des mesures de susceptibilité magnétique et des études RPE ont permis la détermination du paramètre de couplage magnétique J et la mise en évidence d'une loi de décroissance exponentielle de ce paramètre avec la distance métal-métal.<br />Le complexe le plus court de cette famille [{RuII(tpy)(thd)}2(µ-dicyd)] (où dicyd = dicyanamidobenzène) présente un comportement très différent. Des études électrochimiques, spectroscopiques (UV-Vis-PIR, RPE), magnétiques et cristallographiques complétées par des calculs DFT ont mis en lumière la non-innocence du ligand dicyanamidobenzène dans ce type de systèmes. En l'occurrence, celui-ci est oxydé avant les deux ions ruthénium (II).

Le sujet de cette thèse est l'élaboration par épitaxie et la caractérisation de dispositifs pour l'électronique de spin, à savoir une jonction tunnel magnétique (FePt/MgO/FePt) et une hétérostructure hybride métal ferromagnétique / semiconducteur III-V (FePt/MgO/GaAs). L'approche retenue dans les deux cas a été l'utilisation d'une barrière isolante MgO et d'électrodes ferromagnétiques présentant une aimantation perpendiculaire au plan de la couche, réalisées en alliage ordonné FePt (phase L10) ; le choix de ce matériau a été adopté dans l'optique de créer des mémoires magnétiques, sa forte anisotropie permettant de stabiliser l'information magnétique.<br />Dans le cas des jonctions tunnel magnétiques, une singularisation des propriétés magnétiques de chacune des électrodes a été mise en évidence. Des caractérisations structurales du système en cours de croissance ont permis de relier ce phénomène aux contraintes épitaxiales des films minces. De façon apparemment surprenante, le découplage magnétique du dispositif n'est pas assuré dans le cas général, la forte aimantation des électrodes étant à l'origine d'un champ de fuite très important lors des renversements d'aimantation. Nous avons mis en évidence (expérimentalement et analytiquement) un effet d'épaisseur des couches influant sur le comportement magnétique général du système. Des mesures de dynamique de renversement d'aimantation ont souligné le rôle prépondérant du piégeage des parois de domaine lors des renversements d'aimantation.<br />Les systèmes hybrides FePt/MgO/GaAs ont été élaborés en tout-épitaxie en combinant différents bâtis de dépôt. Nous avons montré la faisabilité d'un système présentant de très bonnes propriétés structurales et magnétiques.

L'essor du domaine de l'électronique de spin a stimulé l'étude des propriétés de films minces ferromagnétiques utilisés pour la rétention et la lecture de l'information magnétique. Les films minces antiferromagnétiques, bien que mis en exergue par la démonstration de l'effet GMR dans des super-réseaux Fe/Cr, n'ont qu'un rôle auxiliaire dans ces dispositifs. Des études théoriques récentes proposent néanmoins de leur conférer un rôle actif avec des propriétés distinctes et compétitives, en remplacement des films ferromagnétiques. Contrairement aux couches ferromagnétiques, les films antiferromagnétiques ont été l'objet de beaucoup moins de travaux expérimentaux : l'ordre antiferromagnétique ne peut être étudié que par quelques techniques spécifiques, telles que la diffraction de neutrons. Au cours de cette thèse, nous avons examiné un système modèle pour l'électronique de spin, constitué d'une couche mince de chrome (001), archétype de matériau antiferromagnétique itinérant, et d'une couche d'oxyde de magnésium (001), barrière cristalline la plus largement utilisée. Nous avons montré qu'il était possible de contrôler l'anisotropie magnétique et l'ordre magnétique de l'antiferromagnétique grâce à une maîtrise fine des conditions de croissance et grâce au dopage par le Fe. Une étude détaillée par photoémission a permis d'approfondir les preuves du couplage du magnétisme et de la structure électronique du Cr, et en particulier de mettre en évidence des états de surface et d'interface polarisés. Ces résultats ont été complétés par la détermination du moment ferromagnétique d'interface du Cr/MgO (001) par réflectivité de neutrons. Enfin, en tirant parti de ce socle de connaissance, nous avons pu comprendre et interpréter le magnétisme caractéristique d'hétérostructures de Cr comportant une barrière cristalline fine de MgO, comme la signature d'un couplage tunnel intercouches.

Ce travail de thèse portait sur la synthèse et l'étude de complexes magnétiques redox-actifs comme prototypes pour la conception d'aimants moléculaires à haute température. L'activité redox est assurée par le ligand pontant, qui peut moduler et parfois améliorer significativement les propriétés magnétiques. Après un chapitre d'introduction présentant les derniers développements dans le domaine des matériaux magnétiques moléculaires, un accent particulier est mis sur l'importance d'avoir un fort couplage d'échange magnétique J entre les porteurs de spin. Une étude bibliographique présentant deux approches émergentes pour augmenter J dans les composés polynucléaires est également présentée et discutée. Le chapitre 2 présente les synthèses et caractérisations de complexes dinucléaires [M2(tphz)(tpy)2](PF6)n (M = Co(II) ou Ni(II); n = 4, 3, 2, tphz = tétrapyridophénazine, tpy = terpyridine) construits à partir de ligands pontant (tphz) et bloquant (tpy) fortement coordinants et redox-actifs. Les études approfondies de ces composés montrent que le ligand pontant redox-actif peut être utilisé comme un outil de choix pour promouvoir une délocalisation des spins, de forts couplages magnétiques, ainsi que de la commutabilité. L’analyse des résultats obtenus permet également de mieux comprendre les paramètres clés pour l’élaboration de systèmes fortement couplés magnétiquement. Dans le prolongement de ce travail visant à sélectionner les meilleurs composants pour la conception rationnelle d'aimants moléculaires à haute température, le chapitre 3 décrit une nouvelle série de complexes mononucléaires [Cr(III)(tphz)(tpy)](CF3SO3)n (n = 3, 2, 1). Les complexes mono- et doublement réduits présentent des interactions magnétiques remarquablement fortes entre les ions métalliques et les ligands radicalaires, et pourraient servir d'unités magnétiques intéressantes pour la conception d'aimants de plus hautes nucléarités. / The thesis work aims at the synthesis and study of redox-active magnetic molecules as prototypes towards the design of molecule-based magnets with high operating temperature, a prerequisite for technological applications. The redox activity is provided by the bridging ligand, which could tune and sometimes enhance significantly the magnetic properties of the resulting molecular architectures. After an introduction chapter presenting the latest developments in the field of molecule-based magnetic materials, special emphasis is given on the importance of having large magnetic exchange coupling J between the spin carriers to reach high operating temperature. This is supported by a bibliographic study concerning two emerging approach to enhance J values in polynuclear compounds. Chapter 2 presents the syntheses and characterizations of dinuclear M(II) complexes [M2(tphz)(tpy)2](PF6)n (M = Co or Ni; n = 4, 3, 2, tphz = tetrapyridophenazine) built by using strongly complexing, redox-active bridging ligand (tphz), and terpyridine (tpy) as capping ligands. The extensive studies on these compounds show that the redox-active bridging ligand can be used as a tool to promote spin delocalization, high spin complexes and magnetic multi-switchability. Importantly the work reveals the key parameters towards building strongly magnetically coupled systems. As a continuation research of finding the best magnetic components for the rational design of high temperature molecule-based magnets, Chapter 3 describes a new series of [Cr(III)(tphz)(tpy)](CF3SO3)n (n = 3, 2, 1) mononuclear complexes. Both the mono and doubly-reduced complexes show remarkable magnetic interactions between metal center and radical ligands, which could further act as interesting magnetic units for the design of higher nuclearities magnets.

Les travaux de cette thèse concernent les chargeurs à couplage inductif développés pour les flottes de véhicule électriques en libre service tel qu'envisagé dans l'opération PRAXITELE de EDF. L'objectif général était la définition de l'ensemble convertisseur-coupleur magnétique adapté à ce type de recharge. Les outils et les méthodes développés dans ce mémoire ont fait progresser la compréhension du couplage par induction, et éclairé le choix de la structure adaptée. L'étude méthodique des différentes structures à trois et à quatre éléments de stockage a fait ressortir quelques montages dignes d'intérêt. Les avantages et les inconvénients de chacun de ces montages ont été soulignés et une méthode de dimensionnement a été proposée. La structure choisie permet d'exploiter au mieux le transformateur à faible couplage que constitue le coupleur magnétique, d'alléger la partie embarquée et d'améliorer les caractéristiques de sortie du chargeur. Elle s'avère également être celle qui conduit au meilleur rendement énergétique de l'ensemble convertisseur-coupleur. Le schéma équivalent du coupleur, développé au laboratoire, nous a permis de simuler le comportement de l'ensemble convertisseur-coupleur, en prenant en compte tous les aspects utiles de son comportement. Cela a mené, en particulier, à l'évaluation des pertes de ce composant. Une vérification expérimentale soigneuse a confirmé cette évaluation avec une précision honorable.

De tous les circuits qui constituent un système radiofréquence complet, la partie radiofréquence apparaît comme un maillon délicat du système. Parmi les nombreuses fonctions radiofréquences, l'amplificateur de puissance (PA) représente un bloc particulièrement critique de la chaîne d'émission, du fait de sa consommation élevée et des forts niveaux des signaux qu'il doit gérer. Il résulte de ces contraintes que les techniques d'intégration utilisées sont généralement complexes et onéreuses, particulièrement pour la réalisation des éléments inductifs des réseaux de pré-adaptation des transistors de puissance, à partir de fils micro-soudés. Les travaux décrits dans ce manuscrit visent ainsi le développement d'une technologie permettant l'intégration faible coût d'inductances planaires de puissance en mesure de remplacer les fils micro-soudés. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec la société Freescale. Les démonstrateurs présentés mettent donc en œuvre la filière LDMOS sur substrat silicium faiblement résistif. Le mémoire est articulé autour de quatre chapitres. Le premier présente un état de l'art de l'intégration des amplificateurs de puissance RF à partir duquel nous définissons la problématique de cette intégration. Dans le deuxième chapitre, nous traitons des différents mécanismes de pertes présents dans les inductances planaires sur silicium ainsi que de leurs origines. Puis, nous posons les bases de leur modélisation électrique et des simulations électromagnétiques 3D qui seront conduites pour leur optimisation. Le troisième chapitre est ensuite consacré à la description et à l'optimisation de la technologie mise en place au sein du LAAS. Elle met en œuvre, sur un plan métallique qui écrante le silicium sur lequel sont intégrés les transistors, une couche de 65 µm de résine époxy SU8 sur laquelle est implémenté un niveau métallique en cuivre de 35 µm d'épaisseur. Des trous métallisés sont aussi réalisés à travers le niveau SU8 pour les contacts élec triques entre les transistors et le niveau Cu supérieur. Enfin, le quatrième et dernier chapitre traite des caractérisations expérimentales des inductances de test réalisées ainsi que des démonstrateurs intégrant ces inductances directement sur la puce de puissance LDMOS. Dans ce dernier cas, des mesures en forts signaux sont aussi présentées. L'intégration "Above-IC" d'un réseau d'inductances parallèles présentant une valeur finale de 0.2nH pour un facteur de qualité de 40 à 2 GHz et de 58 à 5 Ghz, tout en supportant une densité de courant de 1A/mm², permet d'aboutir à une valeur du rendement de 60% pour un amplificateur RF LDMOS de puissance 50W.