Ce travail de thèse traite de la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'échantillons biologiques de faibles dimensions. Après un état de l'art des moyens de détermination des paramètres caractéristiques de cellules ou agrégats de cellules isolées, nous décrivons une instrumentation destinée à la mesure d'impédance d'une cellule biologique en basses fréquences. Une chaine de mesure permettant la caractérisation par spectroscopie d'impédance d'un ovocyte de Xénope isolée dans la gamme 50 Hz - 5 MHz est présentée. Celle-ci est basée sur l'utilisation d'un impédancemètre et d'un dispositif de mesure utilisant deux électrodes en or coplanaires. La caractérisation du dispositif de mesure est complétée par une modélisation électrique par la méthode des éléments finis de la zone sensible de mesure. Une deuxième approche est ensuite proposée pour la caractérisation de faibles volumes de fluides biologiques. Celle-ci repose sur l'utilisation d'une matrice d'électrodes composée de 4 microbandes de platine coplanaires et d'un système électronique de conditionnement opérant entre 1 kHz et 100 kHz développé à cet effet. La configuration à 4 électrodes utilisée permet de s'affranchir des problèmes de polarisation aux interfaces métal-milieu. La zone de mesure est également modélisée par voie numérique (méthode des éléments finis) en vue d'établir notamment le facteur de cellule. Après validation de la chaine de mesure, des résultats de caractérisation expérimentale d'échantillons de 50 µl de sang humain sont présentés et discutés. / We present a low frequency approach to characterize small biological samples by using bioimpedance spectroscopy. The state of the art of existing approaches and technologies for the determination of electrical parameters of single cell or aggregate of cells is developed in the two first chapters. An electronic instrumentation allowing to characterize an isolated Xenopus ovocyte cell in the frequency range 50 Hz - 5MHz is presented in the third chapter. This consists of an impedancemeter and a biosensor based on two coplanar gold measurement electrodes. The theoretical validation of the chip uses an electrical modeling of the sensing area by finite elements method. A second approach is then proposed in the fourth chapter for the characterization of small biological fluidic samples. It uses a set of 4 coplanar platinium microband electrodes combined with an electronic conditioning circuit designed to operate in the 1 KHz - 100 kHz frequency range. As it is well known, the use of a tetrapolar configuration for the electrodes system prevents the influence of the polarization impedance at the metal-medium interfaces. The sensing area is also numerically modeled by finite elements method allowing to calculate the cell factor. This parameter was compared with its values deduced experimentally. The microspectrometer designed was thus experimentally validated. Both calibrations and results for the characterization of 50 µl human blood samples are presented and discussed.

La multiplication des normes et des standards de communications permet de nos jours d’élargir l'éventail des services pour chaque consommateur. Si cette prolifération des normes est un plus non négligeable pour les utilisateurs, elle engendre une complexité accrue des systèmes d’émission/réception que ce soit en RF (3G, 4G), ou en mmW (W-HDMI, imagerie, radar, capteurs). Ces systèmes Tx/Rx doivent être capables de nos jours de supporter plusieurs bandes de fréquence (téléphonie tri-bandes), ou de générer des fonctions agiles, on parle alors de systèmes reconfigurables. C’est dans ce contexte que se placent ces travaux de thèse dont l’objectif est d’aborder la problématique du développement de capacités variables aux fréquences radios et millimétriques.Le premier chapitre intitulé “Emergence du besoin de capacités non linéaires haute performance en technologie silicium” identifie les limitations de l’offre usuelle de capacités variables à STMicroelectronics. Le second chapitre « Caractérisation de capacité à l’échelle attoFarad : Le Challenge de la mesure haute impédance » discutera de la problématique de la caractérisation de très faibles capacités, dites attoFarad, utilisées majoritairement dans les oscillateurs à commande digital (D.C.O.). Ces capacités sont de nos jours difficilement modélisables étant donnés les problèmes de caractérisation qu’elles posent avec les solutions standards. Nous discuterons d’une nouvelle méthode de caractérisation haute fréquence permettant l’extraction de capacité de 50aF de 1 à 10GHz.Le troisième chapitre intitulé « De l’analogique au digital, développements de capacités variables jusqu’aux fréquences millimétriques en technologie CMOS et BiCMOS » s’intéressera à l’amélioration des facteurs de mérite de la capacité variable ;(rapport de capacité, fréquence maximale d’utilisation …) ; à travers l’optimisation de solution existante et la conception de nouvelles architectures digitales.Enfin, le dernier chapitre « L’évaluation des performances aux travers des circuits millimétriques référents» exposera quant à lui, la conception, la réalisation et la caractérisation de deux fonctions accordables, un déphaseur et un générateur d’impédance en bande mmW.En conclusion, l’ensemble de ces travaux de thèse fournit de nouvelles solutions pour la conception de circuits RF et mmW. Ils ont permis d’élargir l’offre de capacités variables disponible chez STMicroelectronics en technologies avancées mais aussi d’investiguer et de valider un nouveau concept de caractérisation indispensable à ces développements. / Multiplication of standards and communication protocols allows nowadays a wider range of services for each consumer. If this multiplication of standards is more significant for users, it creates an increased complexity of Rx/Tx communication modules both in RF (3G, 4G), or mmW (W-HDMI, imaging, radar, sensors ) range. These systems Rx/Tx must be able nowadays to support multiple frequency bands (tri-band mobilephone as an example), or agile functions generation, it is called reconfigurable systems. In this context, that this thesis work taking place which aims to address the challenge of high performances tunable capacitances development in RF and mmW range. The first chapter entitled "Emergence of the need for high performances non linear capacitances in silicon technology" identifies the limitations of usual tunable capacitances offer at STMicroelectronics. The second chapter " AttoFarad capacitance characterization: The Challenge of high impedance measurement" discuss the problem of characterization of very small capacity, called attoFarad, used mainly in digital controlled oscillator (DCO). Nowadays these aF capacitance are very difficult to modelize regarding problems of standard measurement methods. We will discuss of a new method for high frequency characteriziation with a relative precision of 50aF 1 to 10GHz. The third chapter entitled "From analog to digital, developments of tunable capacitances up to millimeter frequencies in CMOS and BiCMOS technologies," will focus on figures of merit improvements of the capacitance (tuning ration, resonant frequency, linear law...) through optimization of existing solution (MOS varactor) and the design of new digital architectures. The final chapter "Performances evaluation through referent mmW circuits " exhibit, the design, realization and characterization of two agile functions, a phase shifter and a in-situ tuner, both in the mmW range. To conclude, all these thesis work provide new solutions for the design of RF and mmW circuits. They have extended the tunable capacitances offer at STMicroelectronics in advanced technologie nodes but also to investigate and validate a new concept of characterization necessary for all of these developments.

Ce travail est consacré à la recherche de nouveaux matériaux sans plomb à structure pérovskite, de formules (A⁺,Bi³⁺)BO₃ et (A⁺,Bi³+)(B,B’)O₃ où A⁺ = {Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺}. Le but visé est le remplacement des pérovskites à base de plomb actuellement utilisées dans les dispositifs électroniques. La possibilité de substitution du plomb par un pseudo-ion (A⁺,Bi³⁺) a été étudiée pour (i) les pérovskites simples PbTiO₃ et PbZrO₃ et (ii) les pérovskites complexes Pb(Mg⅟₃Nb⅔)O₃ et Pb(Zn⅟₃Nb⅔)O₃.La synthèse de la composition (Li⅟₂Bi⅟₂)TiO₃ (LBT) a conduit à un composé pyrochlore de type Bi₂Ti₂O₇. Les autres compositions ont permis d'obtenir les pérovskites (Na⅟₂Bi⅟₂)ZrO₃ (NBZ), (K⅟₂Bi⅟₂)ZrO₃ (KBZ), (Na⅟₂Bi⅟₂)(Mg⅓Nb⅔)O₃ (NBMN), (K⅟₂Bi⅟₂)(Mg⅟₃Nb⅔)O₃ (KBMN) et (K⅟₂Bi⅟₂)(Zn⅟₃Nb⅔)O₃ (KBZN). Un important travail de synthèse a été effectué, en utilisant plusieurs voies et différents précurseurs, afin d'essayer d'éliminer les phases secondaires qui accompagnent généralement ces pérovskites.Les structures cristallines ont été étudiées par diffraction de neutrons à l'aide de la méthode de Rietveld. Celles-ci ont été déterminées pour LBT, NBZ, KBZ et KBMN. Les propriétés électriques de ces matériaux ont également été étudiées. Aucun d'entre eux n'est ferroélectrique. KBZ est électrostrictif. Enfin, NBZ, NBMN et KBMN montrent d'intéressantes propriétés de relaxeurs. / The present work focused on the research of new lead-free perovskite materials with the formula (A⁺,Bi³⁺)BO₃ and(A⁺,Bi³+)(B,B’)O₃ with A⁺ = {Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺}. The aim of this study is to find potential candidates to replace the lead-based perovskite used in the electronic devices nowadays. The possibility to substitute the lead ion par a couple (A⁺,Bi³⁺) has been examined for (i) the simple perovskites PbTiO₃ and PbZrO₃ and (ii) the complex perovskites Pb(Mg⅟₃Nb⅔)O₃ and Pb(Zn⅟₃Nb⅔)O₃.The synthesis of the composition (Li⅟₂Bi⅟₂)TiO₃ (LBT) has led to a pyrochlore Bi₂Ti₂O₇-like compound. The other compositions have conducted to the perovskites compounds (Na⅟₂Bi⅟₂)ZrO₃ (NBZ), (K⅟₂Bi⅟₂)ZrO₃ (KBZ), (Na⅟₂Bi⅟₂)(Mg⅓Nb⅔)O₃ (NBMN),(K⅟₂Bi⅟₂)(Mg⅟₃Nb⅔)O₃ (KBMN) and (K⅟₂Bi⅟₂)(Zn⅟₃Nb⅔)O₃ (KBZN). A lot of work has been carried out for the syntheses, using different precursor or process, in order to suppress the secondary phases which are often obtained with these perovskites. The crystalline structures have been studied by neutron diffraction, using the Rietveld method. These have been determined for the LBT, NBZ, KBZ and KBMN compounds. The electrical properties of these materials have also been studied. None of them is ferroelectric. KBZ is électrostrictif. Finally, NBZ, NBMN and KBMN present some interesting relaxor properties.

À ce jour, quelques biocapteurs ont été proposés pour mesurer rapidement et facilement les caractéristiques et les propriétés des microrganismes individuels membres d'une population hétérogène, mais aucune de ces approches ne s'est avérée être adéquate pour effectuer des mesures directement sur le terrain. Les biocapteurs pour les organismes microscopiques nécessitent généralement une sensibilité ou une spécificité extrême, qui sont difficiles à combiner avec un dispositif général portatif. Cette étude propose un dispositif portatif basé sur la cytométrie de flux d'impédance qui peut détecter et quantifier le diamètre de microbilles de tailles supérieure à 50 µm directement sur le terrain, tout en présentant un faible coût, une taille réduite, une basse consommation de puissance, et une simplicité de conception et d'opération qui maximise le potentiel de l'impression 3D et de la fabrication industrielle de circuits imprimés. Un exemple est offert afin de démontrer les capacités du capteurs pour de larges échantillons, avec un jeu de données contenant 2380 microbilles détectées de tailles entre 50 µm et 90 µm. / To this day, a couple of biosensors have been proposed to quickly and easily measure the features and properties of individual microorganisms member of an heterogeneous population, but none of these approaches were adequate candidates to perform measurements directly in the field. Biosensors for micron-scale organisms generally require extreme sensitivity or specificity, which are difficult to combine with a portable general device. This study proposes a portable device based on Impedance Flow-Cytometry that can detect and quantify directly in the fields the size and velocity of microbeads of size bigger than 50 µm, while boasting a low cost, low size, low power, and simplicity of design and operation utilizing the potential of 3D-printing and industrial PCB fabrication. An example is provided for a Big Data application from a sampled dataset containing 2380 successfully detected microbeads of sizes between 50 µm and 90 µm.

Le secteur de la robotique domestique est en pleine expansion. Comme toute nouvelle technologie, les capacités offertes aux clients doivent évoluer pour conquérir de nouveaux marchés. Des bras manipulateurs sur ces robots augmenteraient considérablement leurs capacités d'interactions. Mais il faut des bras à la fois performants et sécuritaires avant d'introduire ce type robot dans les domiciles et les hôpitaux. Dans cette optique, le laboratoire IntRoLab a développé un bras muni d'un nouveau type d'actionneur appelé ADE (Actionneur différentiel élastique). Les ADE, de par leur conception, ont une compliance intrinsèque de par l'usage d'un ressort dans leur mécanisme, et permettent un contrôle en force afin d'effectuer les actions sécuritairement. L'objectif de cette maîtrise consiste à développer la partie logicielle permettant de contrôler ce type de bras pour qu'ils puissent réaliser un grand nombre d'actions tout en conservant l'aspect sécuritaire du robot pour les interactions humain-robot. Pour réaliser cela, le système de contrôle développé combine à la fois un contrôle d'impédance articulaire, un contrôle d'impédance cartésien et un contrôle en force. Ces trois types de contrôle permettent au bras d'effectuer des actions dans différentes configurations. Le contrôle d'impédance articulaire permet de placer le bras dans une configuration articulaire précise. Le contrôle cartésien permet de placer la pince à la position souhaitée dans l'espace. Le contrôle en force permet d'appliquer une force cartésienne dans une direction souhaitée ce qui permet de faire des actions comme écrire, repasser, etc. Un système de compensation de gravité a également été ajouté à ce contrôle afin d'améliorer la précision et que le bras soit plus simple à bouger. En effet, sans la compensation ces contrôles présentent une erreur statique causée par le poids du bras. Les tests réalisés permettent de démontrer les caractéristiques et les limites des différents types de contrôles réalisables. Ainsi, l'influence des coefficients de raideur et d'amortissement sur les contrôles et notamment sur leur bande passante est analysée. La précision des contrôles est également déterminée. Pour vérifier la sécurité des bras, des tests sur la vitesse atteignable sont réalisés à l'aide du contrôleur d'impédance articulaire et du contrôleur d'impédance cartésien.

Les techniques électrochimiques locales comme la microscopie électrochimique à balayage (SECM) permettent, au moyen d'une ultramicroélectrode utilisée comme sonde locale, de caractériser la topographie ou la réactivité locale de la surface d'un substrat. Cependant, il faut noter que la SECM a largement été utilisée dans des conditions stationnaires. L'objectif de ce travail a été de développer la technique SECM en mode courant alternatif (ac-SECM) tant d'un point de vue expérimental que théorique. Le mode ac- SECM a tout d'abord été utilisé pour caractériser un processus électrochimique simple (le ferri/ferrocyanure en solution aqueuse) afin de calibrer la contribution spécifique du transport de matière entre la sonde et le substrat et les processus se déroulant au niveau du substrat. Dans une seconde étape, cette nouvelle approche a été utilisée pour la caractérisation des processus d'adsorption lors de la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) dans une solution d'acide sulfurique. Il a été montré que cette technique permet l'analyse quantitative des processus d'adsorption, et les mesures de la capacité différentielle en fonctionde la fréquence ont pu ête obtenus. La constante de temps pour la relaxation de l'hydrogène adsorbé est d'environ 2 Hz, et l'analyse du diagramme de Nyquist permet une évaluation directe de la charge impliquée. En outre, la comparaison des impédances électrochimique traditionnelles et des résultats de ac-SECM obtenus simultanément permet la caractérisation des processus qui se produisent à la surface et en solution.

Avec l’émergence soutenue de capteurs et de dispositifs électrochimiques innovants, la spectroscopie d'impédance électrochimique est devenue l'un des outils les plus importants pour la caractérisation et la modélisation de la matière ionique et de l'interfaçage des capteurs. La capacité de détecter automatiquement, à l’aide de dispositifs électrochimiques peu couteux, les caractéristiques physiques et chimiques de la matière ionique ouvre une gamme d’application très variée pour la compréhension et l’optimisation des procédés ou interviennent les processus électrochimiques. Cette thèse décrit le développement d’une plate-forme microélectronique miniaturisée, connectée, multiplexée, et à faible coût pour la spectroscopie d'impédance diélectrique (SID) conçue pour les mesures électrochimiques in-situ et adaptée aux architectures de réseau sans fil. La plate-forme développée durant ce travail de maitrise a été testée et validée au sein d’une maille ZigBee et a été en mesure d'interfacer jusqu'à trois capteurs SID en même temps et de relayer l'information à travers le net Zigbee pour l'analyse de données et le stockage. Le système a été construit à partir de composants microélectroniques disponibles commercialement et bénéficie des avantages d'une calibration système on-the-fly qui effectue la calibration du capteur de manière aisée. Dans ce mémoire de maitrise, nous rapportons la modélisation et la caractérisation de senseurs électrochimiques de nitrate; notamment nous décrivons la conception microélectronique, la réponse d'impédance de Nyquist, la sensibilité et la précision de la mesure électrochimique, et les résultats de tests de la plate-forme pour les applications de spectroscopie d'impédance relatives à la détection du nitrate, de la détection de la qualité de l'eau, et des senseurs tactiles. / The emergence of the various applications of electrochemical sensors and devices, electrochemical impedance spectroscopy became one of the most important tools for characterizing and modeling of the material and interfacing the sensors. The ability to sense in an automatic manner enables a wide variety of processes to be better understood and optimized cost-effectively. This thesis describes the development of a low-cost, miniaturized, multiplexed, and connected platform for dielectric impedance spectroscopy (DIS) designed for in-situ measurements and adapted to wireless network architectures. The platform has been tested and used as a DIS sensor node on a ZigBee mesh and was able to interface up to three DIS sensors at the same time and relay the information through the Zigbee net for data analysis and storage. The system was built from commercial microelectronics components and benefits from an on-the-fly calibration system that makes sensor calibration easy. The thesis reports characterizing and modeling of two electro-chemical devices (i.e. nitrate sensor and optically-transparent electrically-conductive glasses) and also describes the microelectronics design, the Nyquist impedance response, the measurement sensitivity and accuracy, and the testing of the platform for in-situ dielectric impedance spectroscopy applications pertaining to fertilizer sensing, water quality sensing, and touch sensing.

La réduction des nuisances sonores induites par les aéronefs civils autour des grands aéroports est devenue un enjeu sociétal important. Pour réduire le bruit propulsif de soufflante, devenu prépondérant au cours des dernières années avec l'avènement de turboréacteurs à double flux, les constructeurs sont amenés à généraliser l'utilisation de matériaux absorbants acoustiques (également appelés « liners »). Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des outils CAA relativement à la prévision numérique de ces matériaux absorbants. Cette modélisation soulève plusieurs interrogations, liées à divers aspects tels que le type d'écoulement mis en jeu (inhomogénéités, couche limite, etc.), les niveaux acoustiques en présence (effets de non linéarité), les effets de diffraction induits par les ruptures d'impédance, etc. Cette étude consiste donc à valider et à améliorer la condition limite d'impédance, implémentée dans le solveur CAA sAbrinA.v0, développé par l'Onera. Des développements théoriques sont d'abord consacrés à la modélisation de l'impédance dans le domaine temporel, et conduisent à une discussion sur la généralisation de cette modélisation. Le travail consiste ensuite à simuler plusieurs cas tests canoniques de l'absorption du bruit par un revêtement acoustique, lesquels sont validés par confrontation avec d'autres résultats analytiques et/ou expérimentaux. Ce travail fournit de nouvelles connaissances sur la façon dont les matériaux absorbants acoustiques peuvent être modélisés et simulés de manière précise dans le cadre d'une approche CAA dans le domaine temporel. / The reduction of acoustic emission induced by civil aircraft around major airports has become an important societal issue. To reduce the fan noise, induced by the engines, which has become preponderant over the past years with the advent of turbofan engines, manufacturers are led to generalize the employment of acoustic absorbing materials (or acoustic “liners”). The present thesis is related to the numerical prediction of such absorbing materials, in the context of time-domain CAA (Computational AeroAcoustics) methods. Such modeling raises several key questions, which are related to various aspects such as the type of flow involved (boundary layers effects, etc.), the sound levels considered (non-linear phenomena), the diffraction effects induced by ruptures of impedance, etc. The present study then consists in validating and improving the time-domain impedance boundary condition implemented in Onera’s structured CAA solver (named sAbrinA.v0). Theoretical developments are first devoted to the modeling of impedance in the time-domain, and lead to a discussion on the generalization of this modeling. The work then consists in CAA-simulating several canonical tests of noise absorption by acoustic liners. Outputs are compared against experimental and/or analytical results, delivering new insight in the way noise absorption materials can be accurately modeled and simulated using time-domain CAA-approaches.

Les forces et faiblesses des robots différant grandement de celles des humains, les robots chirurgicaux ont plusieurs avantages qui expliquent leur utilisation croissante en salle d'opération. Cependant, la robotique chirurgicale demeure un domaine qui comporte de nombreux défis. Plutôt que de travailler directement au niveau de l'application sur un robot spécifique, il a été décidé de concentrer les efforts sur une des composantes mécaniques qui impose des limitations aux interactions humain-robot : l'actionneur. Dans cette optique, un prototype de bras interactif a été réalisé en utilisant la technologie de l'Actionneur Différentiel Élastique (ADE), un actionneur élastique haute-performance de faible impédance mécanique intrinsèque. Le bras à trois degrés de liberté, dont les actionneurs sont contrôlés en impédance, pourra servir à étudier la façon dont les interactions humain/robot permettent d'augmenter les capacités humaines de manipulation. Le contrôle d'impédance de l'ADE a été utilisé en tant que noyau central lors du développement du contrôle du bras interactif. L'analyse des performances dans la plage de fréquence d'intérêt suggère un bon comportement de l'actionneur lorsque l'impédance mécanique demandée est faible.Les premiers essais d'interaction humain-robot avec le bras interactif suggèrent que l'ADE est tout indiqué pour une telle application. Le contrôle d'impédance développé a pu être utilisé dans le cadre d'une autre application robotique : le contrôle des axes de direction du robot mobile omnidirectionnel AZIMUT[indice inférieur 3].

Afin de répondre à la problématique de la sécurité lors des interactions humain-robot, le Laboratoire IntRoLab de la Faculté de génie à l'Université de Sherbrooke a développé un actionneur basé sur l'agencement d'un système mécanique à double différentiel et de deux freins magnétorhéologiques. Ce nouvel actionneur a été baptisé ADDR pour Actionneur Double Différentiel Rhéologique. Contrairement aux actionneurs classiques, l'ADDR n'est pas conçu pour être simplement contrôlé en position, mais il offre la possibilité d'être contrôlé en couple indépendamment de sa vitesse de rotation. Cela, ainsi que sa faible inertie de sortie, lui confère une grande sécurité lors de ses déplacements, même dans des environnements inconnus ou dynamiques. Ce mémoire présente la mise au point de l'électronique embarquée de contrôle de l'ADDR lui permettant d'interagir de façon sécuritaire avec des humains. Une première carte électronique est réalisée pour démontrer la faisabilité de contrôle de ce nouvel actionneur et caractériser ses performances. Le contrôle d'interaction étudié est le contrôle d'impédance par lequel un actionneur cherche à reproduire la réponse dynamique d'un système mécanique réel connu. Par la suite, l'électronique de contrôle est revue et miniaturisée afin d'être intégrée à l'intérieur même de l'ADDR. La large bande passante en couple mesurée permet de conclure que l'ADDR est tout à fait approprié pour être utilisé pour des interactions humain-robot par le biais du contrôle d'impédance. De plus, la réalisation d'une interface haptique qui ajoute un retour d'informations visuelles à l'utilisateur améliore la sensation de toucher de la dynamique du système mécanique simulé. Dans l'avenir, il serait intéressant d'utiliser plusieurs ADDR et leur contrôle d'impédance pour la conception d'un système mécanique tel qu'un bras robotique. Ainsi, les interactions humain-robot pourraient être plus complexes tout en apportant une très grande sécurité par rapport au même bras robotique réalisé à partir d'actionneurs classiques.