La miniaturisation des circuits intégrés se poursuit de nos jours avec le développement de technologies toujours plus fines et denses. Elle permet une intégration des circuits toujours plus massive, avec des performances plus élevées et une réduction des coûts de production. La réduction de taille des circuits s'accompagne aussi d'une augmentation de leur sensibilité électrique. L'électronique automobile est un acteur majeur dans la nouvelle tendance des véhicules autonomes. Ce type d'application a besoin d'analyser des données et d'appliquer des actions sur le véhicule en temps réel. L'objectif à terme est d'améliorer la sécurité des usagers. Il est donc vital de garantir que ces modules électroniques pourront effectuer leurs tâches correctement malgré toutes les perturbations auxquelles ils seront exposés. Néanmoins, l'environnement automobile est particulièrement sévère pour l'électronique. Parmi tous les stress rencontrés, les décharges électrostatiques (ESD - Electrostatic Discharge) sont une importante source d'agression électrique. Ce type d'évènement très bref est suffisamment violent pour détruire des composants électroniques ou les perturber pendant leur fonctionnement. Les recherches présentées ici se concentrent sur l'analyse des défaillances fonctionnelles. À cause des ESD, des fonctions électroniques peuvent cesser temporairement d'être opérantes. Des méthodes d'analyse et de prédiction sont requises au niveau-circuit intégré afin de détecter des points de faiblesses susceptibles de générer des fautes fonctionnelles pendant l'exposition à un stress électrostatique. Différentes approches ont été proposées dans ce but. Une méthode hiérarchique de modélisation a été mise au point afin d'être capable de reproduire la forme d'onde ESD jusqu'à l'entrée du circuit intégré. Avec cette approche, chaque élément du système est modélisé individuellement puis son modèle ajouté au schéma complet. Un cas d'étude réaliste de défaillance fonctionnelle d'un circuit intégré a été analysé à l'aide d'outils de simulation. Afin d'obtenir plus de données sur cette faute, une puce de test a été développée, contenant des structures de surveillance et de mesure directement intégrées dans la puce. La dernière partie de ce travail de recherche est concentrée sur le développement de méthodes d'analyse dans le but d'identifier efficacement des fautes par simulation. Une des techniques développées consiste à modéliser chaque bloc d'une fonction individuellement puis permet de chaîner ces modèles afin de déterminer la robustesse de la fonction complète. La deuxième méthode tente de construire un modèle équivalent dit boite-noire d'une fonction de haut-niveau d'un circuit intégré. Ces travaux de recherche ont mené à la mise au point de prototypes matériels et logiciels et à la mise en évidence de points bloquants qui pourront constituer une base pour de futurs travaux. / Miniaturization of electronic circuits continues nowadays with the more recent technology nodes being applied to diverse fields of application such as automotive. Very dense and small integrated circuits are interesting for economic reasons, because they are cheaper to manufacture in mass and can pack more functionalities with elevated performances. The counterpart of size reduction is integrated circuits becoming more fragile electrically. In the automotive world, the new trend of fully autonomous driving is seeing tremendous progress recently. Autonomous vehicles must take decisions and perform critical actions such as braking or steering the wheel. Those decisions are taken by electronic modules, that have now very high responsibilities with regards of our safety. It is important to ensure that those modules will operate no matter the kind of disturbances they can be exposed to. The automotive world is a quite harsh environment for electronic systems. A major source of electrical stress is called the Electrostatic Discharge (ESD). It is a very sudden flow of electricity of large amplitude capable of destroying electronic components, or disturb them during their normal operation. This research focuses on functional failures where functionality can be temporarily lost after an ESD with various impact on the vehicle. To guarantee before manufacturing that a module and its components will perform their duty correctly, new analysis and prediction methods are required against soft-failures caused by electrostatic discharges. In this research, different approaches have been explored and proposed towards that goal. First, a modelling method for reproducing the ESD waveforms from the test generator up to the integrated circuit input is presented. It is based on a hierarchical approach where each element of the system is modelled individually, then added to the complete setup model. A practical case of functional failure at silicon-level is analyzed using simulation tools. To acquire more data on this fault, a testchip has been designed. It contains on-chip monitoring structures to measure voltage and current, and monitor function behavior directly at silicon-level. The last part of this research details different analysis methods developed for identifying efficiently functional weaknesses. The methods rely heavily on simulation tools, and prototypes have been implemented to prove the initial concepts. The first method models each function inside the chip individually, using behavioral models, then enables to connect the models together to deduce the full function's robustness. It enables hierarchical analysis of complex integrated circuit designs, to identify potential weak spots inside the circuit that could require more shielding or protection. The second method is focused on constructing equivalent electrical black box models of integrated circuit functions. The goal is to model the IC with a behavioral, black-box model capable of reproducing waveforms in powered conditions during the ESD. In summary, this research work has led to the development of several hardware and software prototypes. It has also highlighted important modelling challenges to solve in future works to achieve better functional robustness against electrostatic discharges.

Le thème principal de cette thèse est l'étude des propriétés d'une décharge capacitive Radio Fréquence à pression atmosphérique dans l'argon. Dans ces conditions où le produit pression•distance est de l'ordre de 150 Torr.cm, la décharge a tendance à former une multitude de filaments localement chauds. En pulsant le générateur RF avec une période et une durée adéquates, il est possible de contrôler la transition du mode filament au mode homogène afin d'obtenir un plasma diffus et stable.<br />L'espace inter-électrode de 2 mm est ouvert sur l'air ambiant et alimenté en argon par une centaine d'orifices submillimétriques répartis régulièrement sur l'électrode supérieure. Cette configuration permet d'effectuer un traitement de la surface de films polymères en ligne, sans éteindre la décharge entre les échantillons successifs. Une augmentation importante et durable du caractère hydrophile est rapidement obtenue sans risque d'endommager le polymère.<br />Le diagnostic du plasma est effectué par spectroscopie d'émission et par mesures électriques. L'élargissement de Stark de la raie d'hydrogène Balmer β permet d'estimer la densité électronique dans les filaments à 10^15/cm3. Pour le mode homogène, une approximation basée sur l'équilibre entre la puissance RF transmise et dissipée par le plasma conduit à une densité de 5×10^11/cm3. Les rapports d'intensité des lignes spectrales d'argon neutre et d'ion Ar+ sont introduits dans l'équation de Saha pour calculer la température électronique. Dans le mode homogène la température estimée à 1.3 eV est légèrement plus faible que dans les filaments à 1.7 eV.<br />Un modèle fluide auto-cohérent unidimensionnel est également développé pour étudier plus précisément le comportement de la décharge dans son mode homogène. L'équation de Poisson pour le champs électrique est couplée aux premiers moments de l'équation de Boltzmann (équation de continuité, équation de dérive-diffusion et équation d'énergie). Les coefficients de transport et de réaction sont obtenus à partir de l'énergie moyenne des électrons.<br />Le modèle est appliqué à une cinétique chimique réduite de l'argon contenant les principaux processus d'ionisation et d'excitation. Les résultats de simulations sont en bon accord avec les mesures expérimentales. La décharge RF atmosphérique est comparable aux décharges RF classiques basse pression dans lesquelles l'ionisation a majoritairement lieu dans les gaines oscillantes, là où les électrons ont le plus d'énergie.

Ces travaux s'inscrivent dans un contexte où les contraintes vis-à-vis des décharges électrostatiques sont de plus en plus fortes, les circuits de protection sont un problème récurrent pour les circuits fonctionnant à hautes fréquences. La capacité parasite des composants de protection limite fortement la transmission du signal et peut perturber fortement le fonctionnement normal d'un circuit. Les travaux présentés dans ce mémoire font suite à une volonté de fournir aux concepteurs de circuits fonctionnant aux fréquences millimétriques un circuit de protection robuste présentant de faibles pertes en transmission, avec des dimensions très petites et fonctionnant sur une très large bande de fréquences, allant du courant continu à 100 GHz. Pour cela, une étude approfondie des lignes de transmission et des composants de protection a été réalisée à l'aide de simulations électromagnétiques et de circuits. Placés et fragmentées le long de ces lignes de transmission, les composants de protection ont été optimisés afin de perturber le moins possible la transmission du signal, tout en gardant une forte robustesse face aux décharges électrostatiques. Cette stratégie de protection a été réalisée et validée en technologies CMOS avancées par des mesures fréquentielles, électriques et de courant de fuite. / Advanced CMOS technologies provide an easier way to realize radio-frequency integrated circuits (RFICs). However, the lithography dimension shrink make electrostatic discharges (ESD) issues become more significant. Specific ESD protection devices are embedded in RFICs to avoid any damage. Unfortunately, ESD protections parasitic capacitance limits the operating bandwidth of RFICs. ESD protection size dimensions are also an issue for the protection of RFICs, in order to avoid a significant increase in production costs. This work focuses on a broadband ESD solution (DC-100 GHz) able to be implemented in an I/O pad to protect RFICs in advanced CMOS technologies. Thanks to the signal transmission properties of coplanar / microstrip lines, a broadband ESD solution is achieved by implementing ESD components under a transmission line. The silicon proved structure is broadband; it can be used in any RF circuits and fulfill ESD target. The physical dimensions also enable easy on-chip integration.

La miniaturisation d’antenne est un défi important, en particulier en bande VHF où les longueurs d’onde sont grandes. Parmi les différentes techniques rencontrées dans la littérature, une approche théorique originale repose sur l’utilisation de la résonance électrostatique de sphères sub-longueur d’onde de permittivité négative (ENG pour Epsilon NeGative). L’implémentation pratique de cette solution en considérant une décharge plasma comme milieu ENG est étudiée dans ces travaux de thèse. Le plasma laisse entrevoir des potentialités intéressantes pour ce type d’antennes miniatures comme la furtivité et la reconfigurabilité en fréquence. Dans un premier temps, différents modèles analytiques sont développés afin étudier le comportement électromagnétique de petites sphères réalistes de plasma. Ces modèles permettent par ailleurs la construction de schémas numériques précis et adaptés aux simulateurs électromagnétiques commerciaux. Dans un second temps, un prototype fonctionnel est méthodiquement conçu. La solution proposée permet l’intégration du système d’excitation de la décharge plasma au sein de l’antenne sans en perturber son fonctionnement nominal. Ce prototype permet la caractérisation des paramètres plasma de la décharge et du comportement électromagnétique du résonateur sphérique à plasma. Enfin, un travail annexe d’intégration de décharges plasma dans des circuits planaires en technologie micro-ruban est présenté. Les conceptions, modélisations et caractérisations expérimentales de ces résonateurs planaires permettent de mettre en évidence les capacités du plasma pour leur accordabilité en fréquence. / Antenna miniaturisation is a major issue, especially in the VHF band whose wavelengths are significant. Amongst the solution in the litterature, a recent theoretical technique relies upon the electrostatic resonance of negative permittivity (ENG) subwavelength spheres. In this work, the use of a plasma discharge as ENG medium is under consideration. Plasma indeed suggests new potentialities for this kind of small antennas, such as stealth and frequency agility. Firstly, several analytical models are developed to study the electromagnetic response of subwavelength realistic plasma spheres. These models further allow to derive accurate numerical representations that fit commercial electromagnetic solvers. A working prototype that comprises a plasma ignition system within the antenna structure without altering its operation is then designed. It is used to both characterize the plasma discharge and the electromagnetic behavior of the plasma spherical resonator. Finally, this work is extended to the case of planar circuits by integrating a plasma discharge inside microstrip resonators. The design, the modeling and the experimental studies of these resonators highlight the ability of the plasma to tune the resonant frequency.

Ce travail apporte une meilleure compréhension des propriétés diélectriques des gels isolants dans le contexte particulier de son utilisation en électronique de puissance. Différentes techniques de mesures qui, pour la plupart ont été développées dans la caractérisation des liquides isolants (visualisation de streamers, détection optique des décharges, mesure de la charge apparente) ont été utilisées. Une méthode optique permettant des mesures de décharges partielles sous tension nonsinusoïdale (ondes à front raide) a été développée. Des décharges dans des cavités et les décharges attribuées à l'effet couronne ont été identifiées. Un régime de décharges réversibles et un régime de dégradation où les propriétés d'auto-cicatrisation du matériau sont réduites ont été mis en évidence. La fréquence des décharges augmente considérablement avec la température. Elles pourraient contribuer à l'accélération du vieillissement des assemblages à long terme. Les décharges partielles apparaissent plus facilement sous tension impulsionnelle qu'en alternatif. La visualisation des phénomènes générés sous champ élevé (génération et propagation de “streamers”) permet de mieux caractériser les mécanismes mis en jeu. Les mesures conventionnelles de décharges partielles en alternatif selon la norme CEI ne sont pas pertinentes dans le cas de la caractérisation du gel sous contraintes impulsionnelle. Une étude du claquage du gel silicone dans diverses configurations d'électrodes (tailles, formes) en fonction de la température et de la forme de l'onde de tension montre qu'il dépend de la surface des électrodes. Le gel se rapproche beaucoup plus d'un liquide non polaire que d'un solide.

Le travail de cette thèse a pour vocation d'apporter sa contribution à l'étude expérimentale des décharges électriques dans l'eau et des ondes de pression associées. Cette étude rentre dans le cadre d'une collaboration entre la société Effitech et le Laboratoire de Génie Electrique par le biais d'une bourse CIFRE et c'est dans ce contexte qu'un prototype industriel 100kJ a été réalisé pour le traitement de déchets par puissances électriques pulsées.<br />Le premier chapitre introduit par le biais d'une étude bibliographique la technologie des puissances pulsées, le principe de son élaboration et les principales applications civiles qui lui sont associées.<br />Le chapitre 2 détaille les deux dispositifs expérimentaux que nous avons utilisé durant cette étude ; la première partie présente le démonstrateur industriel, et la deuxième, le banc de plus faible énergie, permettant l'étude physique et électrotechnique de la décharge électrique dans l'eau.<br />Les résultats expérimentaux relatifs à cette étude sont introduits dans le chapitre 3. Des mesures optiques et électriques mettent en évidence deux modes de décharges à savoir les décharges subsoniques et les décharges supersoniques. Par le biais d'une étude électrotechnique, la phénoménologie des deux modes de décharges est détaillée ce qui permet d'aborder par la suite la transition entre les décharges subsoniques et supersoniques.<br />Enfin, dans le chapitre 4, deux applications de la méthode PBT sont présentées. La première concerne le démonstrateur industriel pour lequel une étude électrotechnique, la pression engendrée par la décharge et les applications associées sont exposées. La deuxième application permet d'évaluer l'efficacité de l'application des décharges électriques dans l'eau pour le traitement de biofilms présents dans des canalisations.

L'objectif de ce travail a été d'analyser l'influence de la répartition géographique des ressources alimentaires d'origine anthropique (décharges à ciel ouvert) sur les distribution spatiale et la taille des colonies, la dynamique démographique, le régime alimentaire des adultes et des poussins et les paramètres reproducteurs des populations de Goélands leucophées Larus michahellis des îles rocheuses du littoral provençal. Pour la première fois, cette thématique a fait l'objet d'une approche conduite à une large échelle géographique (80 km de linéaire côtier) et sur un jeu important de sites de nidification et de zones d'alimentation. Les patrons d'utilisation des principales décharges situées dans la zone de prospection alimentaire de l'espèce ont été étudiés. Les aliments provenant des décharges dominent largement dans le régime alimentaire des oiseaux, aussi bien des adultes que des poussins. Cette prédominance est constante pour chacune des colonies étudiées malgré le gradient d'accessibilité aux décharges qui existe dans leur environnement proche. Les décharges constituent donc l'habitat d'alimentation préférentiel de l'espèce dans la zone d'étude. En outre, il a pu être mis en évidence que l'accessibilité et l'abondance des ressources anthropiques sur le continent conditionnent fortement la distribution spatiale et la taille des colonies ainsi que la dynamique démographique récente et les paramètres reproducteurs des colonies étudiées. Le suivi des goélands sur les décharges permet de confirmer l'importance de celles-ci comme zones d'alimentation de l'espèce. Au cours de la saison de reproduction les décharges sont fréquentées par l'essentiel des goélands reproducteurs de la zone considérée. Pour autant, les ressources alimentaires fournies par les décharges ne sont pas utilisées à saturation, de même que les sites de nidifications dont certains présentent des densités de goélands nicheurs encore faibles. Ceci laisse présager une poursuite probable de l'augmentation des effectifs de Goélands leucophées dans les prochaines années. Dans le cas d'une espèce surabondante comme le Goéland leucophée, l'augmentation probable des effectifs signifie une augmentation des interactions négatives avec les activités humaines et de ce fait, la mise en place de mesures de régulation de l'espèce ou d'atténuation des nuisances.

L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique.

Les décharges capacitives basse pression sont couramment utilisées dans l'industrie des écrans plats pour le dépôt de couches minces sur des substrats de plus en plus grande surface. L'augmentation de la fréquence d'excitation (typiquement de 13.56 MHz à 200 MHz) produit des sources denses avec des ions peu énergétiques conduisant à l'augmentation de la vitesse des procédés. Cependant, les modèles théoriques prévoient de fortes non-uniformités du dépôt de puissance dans la décharge lorsque la longueur d'onde d'excitation est comparable à la taille du réacteur. Nous avons réalisé des mesures d'uniformité du flux d'ions et de l'énergie des ions dans une décharge capacitive carrée grande surface excitée de 13.56 MHz à 81.36 MHz dans l'argon jusqu'à 200 mTorr. A haute fréquence, le flux d'ions est fortement non uniforme à cause de l'effet d'onde stationnaire. L'énergie des ions est uniforme dans les mêmes conditions. L'influence de la pression et du mélange de gaz est aussi investiguée.

Ce travail s'inscrit dans le processus de développement d'un dispositif de traitement de composés organiques volatils (COV) par plasma non-thermique. L'application industrielle des dispositifs de dépollution par plasma froid se heurte à deux limitations majeures que sont une consommation énergétique importante et la formation de sous-produits. Deux axes d'amélioration de l'efficacité énergétique du procédé à décharges sur barrière diélectrique sont explorés dans ce travail de thèse : le mode de dépôt d'énergie dans la décharge et le couplage du réacteur plasma avec un dispositif catalytique. Concernant le premier axe, l'étude a montré que dans le cas des réacteurs DBD étudiés, le paramètre gouvernant la réactivité chimique du plasma à pression atmosphérique était la densité d'énergie, qu'il s'agisse de production d'ozone ou d'élimination d'un COV de la phase gazeuse. L'étude chimique des sous-produits de dégradation par décharge a été conduite pour trois molécules cibles : l'éthanol, l'acétone et la méthyléthylcétone. Dans le cas de l'éthanol, un schéma cinétique 0D est proposé, montrant l'importance de la dissociation dans les mécanismes de dégradation du COV. Pour le second axe exploré, le réacteur plasma a été couplé à un catalyseur. Deux formulations de catalyseurs ont été utilisées, avec et sans métaux précieux. Dans les deux cas, l'activation du catalyseur à basse température par couplage avec le réacteur plasma est démontrée. La dernière partie de l'étude présente les résultats obtenus sur un réacteur plasma à échelle pilote visant à estimer l'impact de l'augmentation des capacités de traitement d'un réacteur DBD sur l'efficacité énergétique du procédé.