Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La simulation des systèmes embarqués multiprocesseurs (MPSoC), dés les premières phases de conception, joue un rôle primordial puisqu'elle permet de réduire le temps d'arrivée sur le marché du produit final. Néanmoins, comme ces MPSoC deviennent de plus en plus complexes et hétérogènes, les méthodes conventionnelles de simulation de bas niveau ne sont plus adéquates. La solution proposée à travers cette thèse est l'intégration dans un seul environnement de plusieurs niveaux de simulation. Ceci permet l'évaluation des performances à un niveau précoce dans le flot de conception. L'environnement est utile dans l'exploration de l'espace des solutions architecturales et permet de converger rapidement vers le couple Architecture/Application le plus adéquat. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons un outil de simulation performant et qui offre, à travers les trois niveaux qui le composent, différents compromis entre la vitesse de simulation et la précision de l'estimation des performances. Ces trois niveaux se différencient par les détails de l'architecture nécessaires à chacun et se basent sur le standard SystemC-TLM. Dans la deuxième étape, nous nous sommes intéressés à la consommation d'énergie dans les MPSoc. Pour cela, nous avons enrichi notre environnement de simulation par des modèles de consommation d'énergie flexibles et précis. Enfin dans la troisième étape de notre thèse, une chaîne de compilation basée sur la méthodologie Ingénierie Dirigée par les Modèles (!DM) est développée et intégrée à l'environnement Gaspard. Cette chaîne permet la génération automatique du code SystemC à partir d'une modélisation de haut niveau d'un MPSoc. / Multiprocessor system on chip (MPSoC) simulation in the first design steps has an important impact in reducing the time to market of the final product. However, MPSoC have become more and more complex and heterogeneous. Consequently, traditional approaches for system simulation at lower levels cannot adequately Support the complexity needed for the design of future MPSoc. ln this thesis, we propose a framework composed of several simulation levels. This enables early performance evaluation in the design flow. The proposed framework is useful for design space exploration and permits to find rapidly the most adequate Architecture/Application configuration. ln the first part ofthis thesis, we present an efficient simulation tool composed of three levels that offer several performance/energy tradeoffs. The three levels are differentiated by the accuracy of architectural descriptions based on the SystemC- TLM standard. ln the second part, we are interested by the MPSoC energy consumption. For this, we enhanced Our simulation framework with flexible and accurate energy consumption models. FinaIly in the third part, a compilation chain based on a Model Driven Engineering (MDE) approach is developed and integrated in the Gaspard environment. This chain allows automatic SystemC code generation from high level MPSoC modeling.

La microscopie électronique à balayage est une technique essentielle pour la caractérisation des matériaux. La nouvelle génération de MEB connue sous le nom de MEB à pression variable (aussi appelée MEB environnemental) permet de travailler dans des conditions moins drastiques de pression et de tension. Cependant, l’imagerie et la micro-analyse chimique rencontrent un défi majeur en ce qui concerne la diffusion du faisceau d'électrons primaires par les atomes/molécules du milieu gazeux. Ce phénomène de diffusion (skirt) conduit à l'apparition de plusieurs artéfacts au-delà de ceux qui sont familiers dans un MEB conventionnel. Le principal artéfact reconnu est la dégradation de la résolution spatiale qui est délimitée par le volume d'interaction en mode high-vacuum. Les objectifs de la recherche rapportés ici sont les suivants: (i) étudier l'ampleur et l'étendue de la fraction du faisceau d'électrons diffusée. (ii) le développement d'une méthodologie originale et nouvelle, afin de faire face à l'effet du skirt sur la résolution spatiale. L'efficacité de cette étude est démontrée par sa capacité à quantifier les effets de certains paramètres expérimentaux sur la dégradation de la résolution spatiale. En outre, la nouvelle méthodologie proposée est un atout précieux pour garder la résolution spatiale ultime obtenue en mode high-vacuum. Cela dépend fortement du nouveau volume d'interaction (appelé le volume d'interaction en mode low-vacuum) créé à la fois par la fraction du faisceau d'électrons diffusée et la fraction non-diffusée. / Scanning electron microscope (SEM) is an essential technique to characterize materials. The new generation of SEMs known as a variable pressure SEM (also named environmental SEM) allows to work under less drastic conditions of pressure and voltage. However, the imaging and chemical microanalysis face a major challenge with regard to the scattering of the primary electron beam by the atoms/molecules of the gas medium. This phenomenon of beam skirting leads to the appearance of several artifacts beyond those familiar in conventional SEM. The main recognized artifact is the degradation of the spatial resolution which is delineated by the high-vacuum interaction volume. The objectives of the research reported herein were: (i) to study the magnitude and the extent of the electron beam skirt. (ii) and the development of an original and new methodology in order to deal with the effect of the electron beam skirt on the spatial resolution. The effectiveness of this study is demonstrated by its ability to quantify the effects of some experimental parameters on the degradation of the spatial resolution. Further, the new methodology proposed is a valuable asset to keep the ultimate spatial resolution obtained at high vacuum mode. This depend strongly on the new interaction volume (called the low-vacuum interaction volume) created by both scattered and unscattered fraction of the electron beam.

Ce travail présente un modèle de pile à combustible plus approprié au domaine du génie électrique. Le modèle qui en résulte doit être en mesure d'intégrer des circuits électroniques de puissance et de donner des informations plus pertinentes que les modèles empiriques de type circuit. Les phénomènes du coeur de pile à combustible ont été étudiés. Les analogies entre mécanique des fluides et électricité ont été utilisés dans ce travail. Nous avons introduit le principe du flux d'énergie à notre modèle. Ceci garantit l'analogie appropriée entre deux différents domaines de l'ingénierie. L'exigence du faible coût de calcul exige de limiter le modèle à une seule dimension. Nous avons d'abord élaboré un modèle des tubes de gaz et des canaux pour les systèmes multi-espèces, puis, nous avons procédé à la modélisation des couches de diffusion de gaz, de la couche de réaction et de la membrane. A ce stade, nous avons obtenu un nouveau modèle de type circuit équivalent d'une monocellule de pile à combustible. Pour le modèle de pile n-cellule, la façon la plus simple qui peut être trouvé dans la plupart des ouvrages est de multiplier la tension de sortie d'une cellule par n. Toutefois, nous avons choisi de développer le modèle réel d'un stack comprenant 3 cellules, autrement dit, de modéliser 3 cellules indépendantes et donc de tenir compte de l'effet du canal commun de gaz qui assure la distribution de chacune des cellules d'un stack. Nous avons décidé de mettre en ?uvre le modèle sous Matlab / Simulink, logiciel très utilisé en génie électrique. Les résultats des simulations ont montré que le modèle fonctionne bien. Les phénomènes internes de la cellule sous conditions opératoires spécifiées ont été illustrés. La tension de sortie de cellule à partir du modèle est bien en accord avec les résultats expérimentaux. L'effet du réseau de canal entre chaque cellule de la pile a été exploré. Bien que le résultat escompté ait été obtenu, nous avons remarqué que l'effet du réseau de distribution de gaz, d'une cellule à l'autre d'un stack de 3 cellules était moindre. Ceci est dû aux paramètres géométriques du canal que nous avons implanté dans notre modèle qui correspondent à la structure réelle de la cellule, et qui est bien conçu. Néanmoins, cet effet devrait être fortement accentué dans le cas de stack comprenant de nombreuses cellules. Afin de vérifier que notre modèle atteint bien les objectifs visés, l'association d'un stack de 3 cellules et d'un convertisseur est simulée. Nous avons constaté que la simulation se fait sans difficulté et que le modèle autorise l'analyse de l'interaction entre la pile à combustible et le circuit convertisseur; l'objectif de la thèse est donc accompli / This work is an effort to create a more proper model for electrical engineers. The resultant model should be able to incorporate with power electronic circuits and give more insight information than the empirical circuit models. The mechanic of the fuel cell has been studied. The analogies of cell mechanics to electrical circuits were used in this work. We introduced the principle of energy port to our model. This guaranties the proper analogy between two different engineering domains. The requirement of the low computational cost suggested us to limit the model to only one dimension. We first developed a model of gas tubes and channels for multi-species systems, then, proceeded to the gas diffusion layers, the catalysts and the membrane. At this level we obtained a new equivalent circuit model of the single cell system. For the n-cell stack model, the simplest way which can be found in most literature is to multiply the single cell output voltage by n. However, we chose to develop the real 3-cell stack model, i.e., there was 3 independent cells in the system and the effect of common channels between each cell was incorporated. We decided to implement the model in Matlab/Simulink because it is common to most electrical engineers. The simulation results showed that the model is working weil. The internaI phenomena of the cell at the specified condition were illustrated. The cell output voltage from the model is weil agreed with the experimental result. The effect of the channel network between each cell in the stack had been explored. Although the expected result was obtained, we noticed that the channel network effect to the 3-cell stack operation was very small. This is because the channel parameters that we gave to the model are from the real cell structure, which is weil designed. Nevertheless, this effect should be more observable in a stack system which has higher cell number. To prove that the model can fulfill the ultimate thesis goal, the 3-cell stack model was connected to boost converter. We found that the simulation can be done without problem. The interaction between the fuel cell and the converter circuit is revealed; the objective of the thesis is accomplished

Le banc de poisson est un exemple typique d’auto organisation de groupe. Ce système implique des interactions complexes d’individus dans un milieu fluide et fait l’objet de nombreuses recherches multidisciplinaire théoriques, numériques ou expérimentales.Plusieurs hypothèses ont déjà été formulées pour expliquer la formation de ces bancs: la fuite face à des prédateurs, l’optimisation dans la recherche de nutriments ou encore l’économie d’énergie. Dans la plupart des recherches, les travaux se concentrent sur ce que les poissons devraient faire pour optimiser une tâche plutôt que sur des observations directes. Cela conduit à des différences dans les conclusions issus du travail des physiciens théoriciens ou ingénieurs avec ce qui est observé dans la nature par les biologistes. Dans ce travail, nous apportons, basées sur des observations directes tetra Hemigrammus bleheri, de nouveaux éléments sur les interactions des poissons lors de la nage collective comme le phénomène de burst-and-coast ou la synchronisation des cinématiques entre plus proches voisins. Enfin, nous démontrons que les bancs de Hemigrammus bleheri privilégient la configuration en ligne plutôt que celle en diamant souvent mise en avant dans la littérature / Fish school is the classical example of self-emergent system of collective behavior in animal locomotion, which involves complex interactions between individuals and has drawn fascination of numerous multidisciplinary analytical, numerical and experimental researches. Various reasons have been cited for the formation of fish school such as evading predators, enhancing foraging success or advantage in terms of energy consumption. However, most of the works primary focus on what fish should do in a school instead of what fish really do, leading to discrepancies between the works of theoretical physicists and engineers and what is observed in the nature by biologists. This thesis is an attempt to bridge this gap. In this work, we investigate the swimming dynamics of the red nose tetra fish Hemigrammus bleheri in a controlled experiment. The tetra fish are observed to swim using a burst-and-coast strategy, which could be for the purpose of active flow sensing. We also address the case of red nose tetra fish Hemigrammus bleheri swimming in groups in a uniform flow, giving special attention to the basic interactions and cooperative swimming of a single pair of fish. We first bring evidence of synchronization of the two fish, where the swimming modes are dominated by "out of phase" and "in phase" configurations. At last, we challenge the question of energy benefit by discussing the channeling effect versus the vortex interaction hypothesis (Weihs, Nature 241:290-291, 1973) about diamond shape. We provide the experimental observation that fish prefer inline formation or phalanx formation over the diamond shape while swimming in a school

De récentes études montrent que les films minces présentent des performances thermoélectriques nettement plus importantes (jusqu'à un facteur 3) que celles obtenues dans les matériaux massifs. Nous avons choisi de développer des couches minces thermoélectriques Bi0,5Sb1,5Te3 de type p et Bi2Te2,7Se0,3 de type n présentant les performances thermoélectriques les plus intéressantes à des températures proches de l'ambiante. La technique de dépôt utilisé est la PVD magnétron. L'optimisation des conditions de dépôt (pression Ar, puissance plasma, distance cible-substrat et temps de dépôt) ainsi que du traitement thermique de recuit a permis obtenir des figures de mérite ZT les plus élevées possibles. De plus, les phénomènes physiques mis en jeu dans les films minces étant différents de ceux des massifs, il a été nécessaire des les étudier pour améliorer les performances thermoélectriques des couches minces. De petits dispositifs thermoélectriques en couche minces ont pu être réalisé et caractérisé. En parallèle nous avons exploré la possibilité de faire croître des filaments thermoélectriques de compositions semblables aux couches et de dimensions manométriques au sein d'une matrice d'alumine nanoporeuse. En effet la réduction des dimensions géométriques permet d'augmenter les performances thermoélectriques des matériaux. Nous avons pu réaliser les premiers fils n et p ainsi que les premières caractérisations thermoélectriques.

Les effets du dichromate et de l'aluminium sur le transport d'électrons photosynthétique et les mécanismes de dissipation d'énergie des Photosystèmes II et l ont été évalués quand différentes espèces d'algues ont été exposées aux métaux. Les propriétés structurelles du photosystème II ont été étudiées par immunobuvardage de type Western blot et par chromatographie liquide à haute performance. Les propriétés fonctionnelles des Photosystème II et l ont été déterminées par la mesure de la cinétique de fluorescence chlorophylienne et les changements d'absorbance à 830 nm, respectivement. Pour l'étude des effets du dichromate, l'algue verte Chlamydomonas reinhardtii et des mutants de C. reinhardtii déficients du cycle des xanthophylles ont été utilisés comme modèle biologique. Pour l'aluminium, l'étude des effets de la forme ionique libre A1³⁺ a été effectuée dans un milieu acide (pH 3,0) en utilisant deux espèces d'algues tolérantes à de bas pH, Euglena gracilis et Chlamydomonas acidophila. Nous avons conclu que les rendements photochimiques maximals des Photosystèmes II et l sont diminués par les effets du dichromate. L'inhibition de la photochimie par le dichromate cause une diminution de la dissipation d'énergie par la voie photochimique du Photosystème II et une augmentation de la dissipation d'énergie sous forme non-photochimique non-régulée. L'absence d'un cycle des xanthophylles fonctionnel rend l'appareil photosynthétique plus sensible à la photoinhibition induite par la toxicité du dichromate. Pour les effets de l'aluminium sur la photochimie du Photosystème II, la dissipation d'énergie par les voies photochimiques et non-photochimiques est affectée différemment chez des espèces d'algues présentant des résistances différentes aux effets des métaux. Cette inhibition va entrainer une diminution de la production d'ATP et de NADPH menant à une diminution de la production de biomasse chez les algues sensible à l'aluminium. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Algues, Aluminium, Chlamydomonas acidophila, Chlamydomonas reinhardtii, Dichromate, Euglena gracilis, Métaux, Photosynthèse, Photosystème l, Photosystème II, Toxicologie.

Résumé Ce travail de thèse en cotutelle a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne (France) ainsi qu’au département de Chimie de l’Université de Sherbrooke (Québec). Ces travaux sont consacrés à la modification de la structure des BODIPY en vue d'une application in vivo pour l'imagerie bimodale optique/TEP ou TEMP. Ces modifications concernent l'hydrosolubilisation des fluorophores, mais aussi le décalage des domaines d’absorption et d’émission vers la fenêtre thérapeutique, zone dans laquelle la lumière est moins atténuée par les tissus biologiques. Des solutions permettant la bioconjugaison des fluorophores sur un dérivé de la bombésine, peptide permettant de cibler des récepteurs membranaires surexprimés dans certains types de cellules cancéreuses, sont également présentées. Enfin, une stratégie d’introduction d’un radioélément sur le BODIPY est décrite. Elle implique l’introduction sur l’atome de bore d’un groupe partant permettant sa radiofluoration. Différents dérivés de BODIPY ont également été utilisés pour la construction d’édifices multichromophoriques à transfert d’énergie. Ces travaux sont décrits dans la seconde partie de cette thèse. Ils comprennent notamment des études photophysiques permettant de mettre en évidence le transfert d’énergie photoinduit donneur-accepteur entre différents chromophores Dans les différents système élaborés, de type BODIPY-pophyrine et BODIPY-corolle, le BODIPY est alternativement donneur, ou accepteur d’énergie.

Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté / A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented

Les arcs impulsionnels sont des arcs électriques établis d'une façon générale lors de la séparation entre deux contacts électriques. Ces arcs indésirables mais inévitables peuvent causer des dégâts en raison d'un important transfert d'énergie vers les électrodes. Lors de l'interaction entre l'arc et l'électrode, cette dernière s'érode entraînant une contamination plus ou moins importante du plasma par les vapeurs des éléments issues de cette érosion et pouvant conduire à une modification notable de ses propriétés. Le travail présenté dans ce mémoire consiste à étudier par une approche expérimentale une configuration d'arc impulsionnel. La première étape indispensable à cette étude est la conception et la réalisation d'un dispositif spécifique permettant de simuler et de caractériser ce type d'arc. Des techniques de diagnostic adaptées au dispositif utilisé ont été développées dans ce travail. Les caractéristiques physiques du plasma (température, densité électronique...) déterminées par spectroscopie optique d'émission associées aux caractéristiques électriques de l'arc ont été corrélées avec les résultats de la visualisation effectuée par imagerie rapide de l'érosion de l'électrode et de la géométrie de l'arc durant son extinction. Des travaux spécifiques sur l'évolution de la tension totale d'arc en régime transitoire ont été réalisés en détaillant les chutes de tension aux électrodes et à la colonne. Par ailleurs des mesures spectroscopiques ont montré l'influence de divers paramètres (nature de l'anode, amplitude et forme de l'onde de courant) sur la température du plasma. Nous avons ainsi mis en évidence que les propriétés du plasma pour une configuration donnée, ne dépendent pas uniquement de la valeur instantanée du courant mais sont également fonctions de l'état antérieur de l'arc / The impulse arcs are electric arcs established generally during the separation between electrical contacts. These undesirable and unavoidable arcs can cause damage because of an important energy transfer to the electrodes. During the arc-electrodes interaction, electrodes erosion may involve an important contamination of the plasma by the vapors of the materials resulting from this erosion and may lead to a notable modification of its properties. The work presented in this thesis is an experimental approach of impulse arc configuration. The first essential stage to this study is the design and the realization of a specific device to simulate and characterize this kind of arc. Techniques of diagnostic adapted to the device were developed in this work. The plasma characteristics (temperature, electron number density...) determined by optical emission spectroscopy associated with the electrical characteristics of the arc were correlated with the results of the fast imaging visualization of the electrode erosion and of the arc geometry during its extinction. A specific study was developed to precisely determine the evolution of the arc voltage in transient state, separating the electrode voltage drop from the plasma column voltage. Spectroscopic measurement showed the influence of various parameters (nature of the anode, current pulse) on the plasma properties. In particular we put in evidence that these properties are not only dependent on the instantaneous value of the current, but depend also on the previous arc story