Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.

Au Québec, les alumineries sont de grandes consommatrices d’énergie électrique, soit près de 14% de la puissance installée d’Hydro-Québec. Dans ce contexte, des petits gains en efficacité énergétique des cuves d’électrolyse pourraient avoir un impact important sur la réduction globale de la consommation d’électricité. Le projet de maîtrise décrit dans cette étude répond à la problématique suivante : comment l’optimisation de la géométrie d’un bloc cathodique en vue d’uniformiser la densité de courant peut augmenter l’efficacité énergétique et la durée de vie de la cuve d’aluminium? Le but premier du projet est de modifier la géométrie en vue d’améliorer le comportement thermoélectrique des blocs cathodiques et d’accroître par le fait même l’efficacité énergétique du procédé de production d’aluminium. La mauvaise distribution de la densité de courant dans la cuve est responsable de certains problèmes énergétiques ayant des impacts négatifs sur l’économie et l’environnement. Cette non-uniformité de la distribution du courant induit une usure prématurée de la surface de la cathode et contribue à réduire la stabilité magnétohydrodynamique de la nappe de métal liquide. Afin de quantifier les impacts que peut avoir l’uniformisation de la densité de courant à travers le bloc cathodique, un modèle d’un bloc cathodique d’une cuve de la technologie AP-30 a été conçu et analysé par éléments finis. À partir de son comportement thermoélectrique et de données expérimentales d’une cuve AP-30 tirées de la littérature, une corrélation entre le profil de densité de courant à la surface du bloc et le taux d’érosion local au même endroit a été créée. Cette relation correspond au modèle prédictif de la durée de vie de tout bloc du même matériau à partir de son profil de densité de courant. Ensuite, une programmation a été faite incorporant dans une même fonction coût les impacts économiques de la durée de vie, de la chute de voltage cathodique et de l’utilisation de nouveaux matériaux. Ceci a permis d’évaluer les bénéfices faits à partir d’un bloc modifié par rapport au bloc de référence. Plusieurs paramètres géométriques du bloc sont variables sur un domaine réaliste et l’intégration d’un composant en matériau plus conducteur y a également été étudiée. Utilisant des outils mathématiques d’optimisation, un design de bloc optimal a pu être trouvé. Les résultats démontrent qu’il est possible de générer des économies à partir de la modification du bloc. Il est également prouvé que l’uniformisation de la densité de courant à travers le bloc peut apporter de grands avantages économiques et environnementaux dans le procédé d’électrolyse de l’aluminium. Les résultats de cette étude serviront d’arguments pour les chercheurs dans l’industrie à savoir s’il vaut la peine d’investir ou non dans la fabrication d’un prototype expérimental souvent très coûteux.

L'électromigration (EMG) est l'une des conséquences de la course à la miniaturisation des composants électroniques en général et la réduction des dimensions des interconnexions en particulier. Il est identifié comme l'un des phénomènes critiques de fiabilité pour les circuits intégrés en technologies submicroniques. Les méthodes de vérification de ce phénomène utilisées durant la conception de circuits sont pour la plupart basées sur des règles de densité de courants et de température. Ces règles deviennent de plus en plus difficiles à mettre en place, compte tenue de l'augmentation des densités de courant dans les réseaux d'interconnexions. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans la dynamique de recherches de moyens d'amélioration de la détection des risques d'électromigration durant la phase de conception. Le but est d'établir une relation entre violations des règles électriques et la physique de dégradation des interconnexions. Les résultats obtenus au cours des tests de vieillissement nous ont permis de repousser les limites de courant sans altérer les durées de vie des circuits. Enfin, ce projet été l'occasion de définir des règles conception basé sur l'optimisation des cellules d'horloges dans la grille d'alimentation des circuits intégrés. L'application des solutions proposées au cours de ces travaux ont permis de réaliser des circuits robustes aux effets EMG. / Electromigration (EMG) is a consequence of miniaturization of integrated circuits in general and the reduction of interconnect dimensions in particular. It is identified as one of the critical reliability phenomenon for integrated circuits designed in submicron technologies. The methods of checking this phenomenon at design level are mostly based on current density rules and temperature. These rules are becoming difficult to implement due to increasing current density in interconnection network. This thesis is based on researching for ways to improve detection of electromigration risks at design level. The goal is to establish a relation between electrical rules and interconnect degradation mechanism. Results obtained from ageing tests permit us to relax current limit without altered circuit lifetimes. Finally, this project has been instrumental to define design rules based on optimization of clock tree cells placement in integrated circuit power grid. The application of solution proposed during this work permit to design robust circuits toward EMG.

Le thème principal de cette thèse est la caractérisation des supraconducteurs à haute température critique (SHTc). Dans un premier temps, nous avons présenté des généralités des SHTc. L'utilisation possible dans l'avenir, des SHTc pour le transport de courant, nous a mené à étudier plus particulièrement les pertes en champ propre, donc parcouru par un courant sinusoïdal. Puis nous avons rappelé les calculs de pertes basés sur le modèle de l'état critique Bean pour différentes formes d'échantillon, comme une plaque, un cylindre, un tube cylindrique et un câble SHTc. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé des SHTc qui permet d'obtenir les caractéristiques E(J), U(I), Jc(B), et n(B) d'un tube cylindrique SHTc. La caractérisation a été effectuée à l'aide de la méthode électrique. Puis nous avons tenté la compensation du champ magnétique propre du tube par deux méthodes différentes. Ensuite nous avons mesuré la diffusion du champ magnétique dans une plaque SHTc et de la détermination du Jc de la plaque par la mesure de champ de pénétration complète. Dans un dernier temps, nous avons calculé analytiquement des pertes dans un tube SHTc en champ propre, à l'aide du modèle de l'état critique de Bean. Nous avons également montré qu'en champ propre, la pénétration du champ magnétique à l'intérieur du matériau SHTc, se passe en deux temps. Tout d'abord il y a pénétration incomplète du champ magnétique de l'extérieur vers l'intérieur du matériau, puis quand la pénétration est complète, le champ magnétique augmente uniformément dans tout le matériau. Ces résultats de calcul de pertes ont été comparés aux celles mesurées, cette comparaison montre une concordance manifeste. Pour la dernière expérience, nous avons mesuré et analysé des pertes dans une bobine SHTc alimentée en courant sinusoïdal de fréquence 50 Hz. Ces résultats nous ont montré que les pertes dans cette bobine sont principalement les pertes dans le matériau supraconducteur et non les pertes dans la matrice des supraconducteurs / The main of this thesis is the characterization of high critical temperature superconductors (HTS). First, we have presented the generality of the HTS. The possible use in the future, of the HTS for the transport current, involves to study more particularly the losses in self-field, or fed by a sinusoidal current. Then we have recalled the losses calculations based on the Bean model critical state for various forms of the sample, as a plate, a cylinder, a tube cylindrical hollow and an HTS cable. For the second time, we have characterized the HTS which allows make the characteristics E(J), U(I), Jc(B), and n(B) of an HTS tube cylindrical hollow. The characterization has been made by the electrical method. Then we have tried a self-field compensation of an HTS tube by two different methods. After we have measured the magnetic field diffusion in an HTS plate and we have determined its Jc by the magnetic field measurement in complete penetration. In the last time, we have calculated analytically the losses in self-field of the HTS tube, using the Bean model critical state. We have also showed that in self-field, the magnetic field penetration inside the HTS material happens in order. First of all, there is magnetic field incomplete penetration from outside to inside the material, then when the penetration is complete, the magnetic field increase uniformly throughout the material. These losses calculation results have been compared to measurement results, this comparison shows a clear coincidence. For the last experiment, we have measured and analysed the losses in an HTS coils fed by a sinusoidal current 50Hz frequency. These results have showed that the losses of this HTS coils are mainly losses in the superconducting material and not in the superconducting matrix.

Les mesures des cycles d'hystérésis des échantillons monocristaux d'YBa2Cu3O7-Δ et de <br />La2-xSrxCuO4, qui ont été effectué par le magnétomètre à échantillon vibrant à cause de leurs grandes tailles. Le champ magnétique a été appliqué parallèlement aux axes cristallographiques. A très basse température T < 4.2 K pour La2-xSrxCuO4 et T < 10 K pour YBa2Cu3O7-Δ, les cycles présents des formes très caractéristique, des sauts très important. Dans ce cas le champ n'a pas pénétré jusqu'au centre de l'échantillon. A plus haute température le phénomène disparaît. Un autre effet apparaît sur les deux monocristaux, cet effet est appelé l'effet papillon.<br /><br />Nous avons exposé le modèle de Bean qui permet de relier l'aimantation magnétique mesurée et la densité de courant critique. Nous avons ensuite adapté ce modèle, une prise en compte d'une loi Jc(H), de façon à ce qu'il tienne compte de la géométrie et de l'anisotropie des échantillons. Ainsi, pour H , les vortex sont soumis à l'ancrage extrinsèque assuré par les défauts parallèles à l'axe et on constate que la densité de courant critique résultante de ce piégeage décroît de façon monotone en fonction aussi bien de la température que du champ magnétique. En champ parallèle aux plans ab, la densité de courant critique déduite des cycles d'aimantation M(H) présentent un comportement différent de celui correspondant au champ parallèle à l'axe : elle est très peu sensible au champ magnétique appliqué. C'est une caractéristique de l'ancrage intrinsèque dû à la structure lamellaire de ces matériaux. <br /><br />La méthode du courant pulsé qui permet de mesurer les caractéristiques E(J) avec précision dans une large gamme des températures, conduit à une très grande précision sur la détermination de la densité de courant. Nous nous sommes basés sur le modèle classique du flux creep pour analyser nos résultats expérimentaux. Nous avons montré que ce modèle prévoit une transition de phase dans le réseau de vortex.<br /><br />Nos données expérimentales montrent l'existence de la transition de verre vortex dans les films minces d'YBa2Cu3O7-Δ. Ceci est en accord avec la théorie de verre de vortex de Fisher et al. pour des champs magnétiques différents de zéro. Au voisinage d'un champ appliqué nul, l'isotherme de la transition de verre de vortex est plus difficile à déterminer à cause du champ propre et de l'anisotropie de ces matériaux.<br /><br />En étudiant les propriétés magnétiques de l'état supraconducteur des Κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br au voisinage et en dessous de Tc (~11 K), en fonction de la température de recuit autour de 80 K (Ta) et du temps de recuit (ta). Les résultats principaux sont les suivants. 1) Les données peuvent être décrites à l'aide d'un modèle de percolation de grains. 2) Les grains croissent avec ta vers un état thermodynamique stable. 3) Cette croissance suit une loi d'exponentielle étirée, où le temps de relaxation suit une loi d'Arrhenius. Pour chaque température Ta, la taille finale des grains – pratiquement atteinte pour des ta d'environ 5Τ – est indépendante de l'histoire thermique antérieure de l'échantillon. 4) L'aimantation asymptotique suit une loi d'échelle où Tg ⊥ 55 K est la température de la transition vitreuse. Finalement, Les présents résultats prouvent clairement que les propriétés de la supraconduction sont déterminées par le désordre figé crée en traversant la transition de verre et pas par un début possible d'effets magnétique au-dessous de cette transition. L'analogie avec les verres de spin est simple : comme pour les spins d'Ising, les molécules de l'éthylène ont seulement deux états possible.

Le gaz électrogénéré dans les réacteurs électrochimiques est un phénomène à la fois électrochimique et hydrodynamique. La chute ohmique dans la solution électrolyte est l'un des paramètres importants à évaluer pour l'optimisation des réacteurs électrochimiques. Elle est due à la résistance de la solution, donc, à sa conductivité électrique et la distance entre les deux électrodes. Pour réduire la consommation énergétique de la cellule de réduction électrolytique de particules d'hématite en fer métallique, on a étudié la conception des anodes, sièges de la production des bulles d'oxygène, dans deux cellules équivalentes d'électrolyse d'eau dans un milieu alcalin. Les résultats ont montré que seulement 25% de l'anode est réellement active et que le taux de rétention augmente le long de l'anode et les bulles atteignent leur vitesse terminale dès 50% de la hauteur de l'anode. Ceci nous a permis de formuler des recommandations qui permettent d'avoir les meilleures conditions de désengagement des bulles électrogénérées, pour une consommation énergétique plus faible du procédé électrochimique / Electrogenerated gas in electrochemical reactors is considered as an electrochemical and hydrodynamic phenomenon. The ohmic drop in the electrolyte solution is one of important parameter to evaluate for the optimization design of electrochemical reactors. It is due to the resistance of the solution, therefore, its electrical conductivity and of the distance between the two electrodes. To reduce the energy consumption of the electrolytic reduction cell of hematite particles to metallic iron, we studied the design of anode, the location of oxygen bubbles production, in two equivalent cells for water electrolysis in an alkali media. The results showed that the gas hold up increases along the anode and only 25% of the initial anode height is actually active. Moreover the bubbles reach their terminal velocity after 50% of the initial anode height. This allowed us to formulate recommendations that allow the best conditions of bubbles electrogenerated disengagement and low energy consumption

Cette thèse porte sur les possibilités que les méthodes d’imagerie géoélectrique offrent à la fois pour la caractérisation des processus géochimiques mais aussi pour l’étude d’interaction sol-racines. La ligne conductrice de ce travail, repose sur la position centrale de la qualité des sols et des interactions racines-sols dans de nombreux problèmes environnementaux. En effet, un nombre croissant d’études rapportent l’importance des interactions mutuelles entre les racines et le sol. Dans cette optique, cette thèse explore l’utilisation le développements approfondis de méthodes géoélectriques. Les processus physico-chimiques ainsi que les interaction sol-racines sont à l’origine de mouvement d’eau et de soluté, d’altération de la structure des sols ainsi que de perturbations biologiques. Les méthodes géoélectriques sont potentiellement sensibles à ces modifications hydrologique et biochimique. La méthode de Polarisation Provoquée Spectrale (PPS) a été combinée avec des analyses et des modélisations géochimiques permettant de connaitre sa sensibilité à la composition du fluide interstitiel (contenu dans l’espace poral), du pH et de la force ionique. Plus particulièrement, la signature PPS de la substitution Na+/Cu2+ a été analysée car il s’agit d’un critère pertinent traduisant la qualité d’un sol et reconnu mondialement. L’analyse PPS a été réalisée sur un sable (silicate) saturé et pour des concentrations typiques de Na+/Cu2+ que l’on trouve classiquement dans des sols exposés à des utilisations de pesticides au Cuivre (Cu). Les résultats ont montré que le pH et la force ionique ont été les variables prépondérantes contrôlant le signal PPS, alors que des effets négligeables sont liés à la substitution Cu/Na. L’utilisation simultanée d’analyses chimiques et géophysiques en laboratoire a permis de mieux caractériser les processus de complexation étudiés et d’appuyer considérablement l’interprétation des signaux PPS. Enfin, la tomographie de résistivité électrique et la méthode de Mise-A-La-Masse ont été combinées pour développer une nouvelle approche d'imagerie du chemin préférentiel emprunté par le courant électrique dans le système racines-sols. Etant donné que la conduction électrique dans le sol et les racines est principalement électrolytique, l'approche proposée repose sur le mouvement de l'eau et des solutés dans le système racines-sol. Le potentiel de la méthode pour son application in-situ a été testée à l’aide d’une série d’expériences sur une vigne. À la suite des résultats prometteurs, la méthode a été développée et appliquée lors d’une expérience en laboratoire portant sur la croissance racinaire dans un rhizotron de plantes de coton et de maïs. La méthode s'est révélée sensible aux différences physiologiques entre les espèces et éventuellement à la réponse de la plante aux facteurs de stress environnementaux. De nouvelles expériences contrôlant les variables physiologiques des tissus racinaires sont nécessaires pour une meilleure compréhension de leurs influences. Les développements technologiques récents soutiennent fortement la diffusion de l’imagerie et du suivi géoélectriques à l'échelle du terrain. Dans ce contexte prometteur, les résultats de cette thèse contribuent au développement d'approches géoélectriques pour l'étude du sol et de ses interactions mutuelles avec les racines des plantes à des échelles spatio-temporelles pertinentes. / In this thesis I investigate some of the possibilities offered by the use of geoelectrical methods for characterizing soil geochemical processes and root-soil interactions. The motivation for this thesis arises from the pivotal role of soil quality and root-soil interactions in manifold environmental issues. In addition, there is growing evidence of the importance of mutual interactions between roots and soil, for this reason this thesis explores the use of geoelectrical methods for more comprehensive approaches. Both soil physicochemical processes and root-soil interactions involve, among others, the movement of water and solutes, altercations of the soil structure, and biological feedbacks. Geoelectrical methods are potentially sensitivity to these hydrogeological and biogeochemical modifications. The Spectral Induced Polarization (SIP) method was combined with geochemical analyses and modeling in order to investigate its sensitivity to pore fluid composition, pH, and ionic strength. In particular, the SIP signature of Na+/Cu2+ substitution was investigated because of their worldwide relevance for soil quality. The SIP investigation focused on saturated silica, and explored concentrations of Na+ and Cu2+ that are typical to agricultural soils exposed to the use of Cu pesticides. The results showed how pH and ionic strength were the main variables controlling the SIP signals, while negligible effects were related to the Cu/Na substitution. The concurrent use of chemical and geophysical laboratory experiments allowed a better characterization of the investigated complexation processes and significantly supported the interpretation of the SIP signals. The Electrical Resistivity Tomography and the Mise-A-La-Masse methods were combined to develop a novel approach for imaging the electric current pathways in the root-soil system. Since the current conduction in soil and roots is mostly electrolytic, the proposed approach relates to the movement of water and solutes within the root-soil system. The potential of the method for field investigations was explored with a set of experiments on a grapevine. In light of the promising results, the method was further developed and applied to rhizotron laboratory experiments on cotton and maize plants. The method proved to be sensitive to inter-species physiological differences and possibly to the plant response to environmental stressors. New experiments with physiological analyses of root tissues are needed to elucidate these aspects. Emerging technologies are strongly supporting to the diffusion of imaging and monitoring geoelectrical applications at the field-scale. In this promising context, the results of this thesis contribute to the development of geoelectrical approaches for studying soil and its mutual interactions with plant roots over relevant spatiotemporal scales.

Les travaux présentés dans ce mémoire visent à améliorer la méthodologie de conception et les performances des stratégies de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) dans les circuits intégrés. Pour cela, l'approche choisie est basée sur une analyse approfondie de la physique des composants soumis aux ESD et plus particulièrement, les effets des très fortes densités de courant. L'étude, focalisée sur les transistors bipolaires autopolarisés, s'appuie sur la simulation physique 2D et l'utilisation des outils de localisation de défaillance basés sur les techniques de stimulation laser. L'analyse physique en résultant a permis d'une part, de définir des règles de dessin universelles pour l'obtention d'une robustesse ESD élevée et d'autre part, de proposer des macro-modèles de type SPICE originaux pour prendre en compte les effets des fortes densités de courant. Enfin, après avoir mis en évidence plusieurs phénomènes limitant les performances des réseaux de protection, nous avons défini une méthodologie de conception améliorée permettant de les prendre en compte et de garantir la performance des solutions de protections fournies aux concepteurs de circuits.

Ce travail porte sur l’analyse du comportement en durabilité d’une cellule à oxydes solides en fonctionnement en mode Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT). Il s’agit plus particulièrement d’identifier les paramètres influant sur la durabilité de la cellule et de comprendre les mécanismes associés, de manière à établir le meilleur compromis durabilité-performance. Un premier axe de recherche correspond à la caractérisation électrochimique initiale de la mono-cellule choisie pour l’étude, à savoir une cellule à électrode support de type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ dont le comportement électrochimique est étudié sous diverses températures, conditions de gaz et densités de courant. Ensuite, la dégradation des performances est étudiée in situ par spectroscopie d’impédance électrochimique et voltampérométrie lors de diverses études séquentielles par paliers de 200 heures. L’influence du taux de conversion et de la densité de courant sur la dégradation des performances est ainsi analysée. Pour compléter cette étude, des analyses physico-chimiques et microstructurales post tests ont été réalisées sur des échantillons ayant fonctionné 1000 heures afin de faire le lien entre les modifications électrochimiques observées et les changements de structure et de composition des matériaux de cellule. Des hypothèses de mécanismes de dégradation ont ainsi pu être formulées. / This work is dedicated to the study on the long term behavior of a solid oxide electrolysis cell (SOEC). More specifically, the target is to identify and understand the influence of main working parameters on the cell durability in order to find the best compromise between performances and durability. The initial part of this work is to characterize electrochemically the single cell selected for the study, that is to say a cathode supported cell of the type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ at different gas conditions, temperature and current density. Then, the degradation of the cell performances has been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and voltamperometry (i-V) curves during sequential tests of 200h. The influence of the most important working parameters like the current density and the steam conversion has been analyzed. To complete this study, physico-chemical and microstructural analyses have been performed on cells that have been operated over 1000 hours, to make a link between electrochemical degradation observed on the cell and composition and structural changes of cell materials.

Ce travail a permis de développer une technique non invasive d’identification de la distribution du courant dans une pile à combustible à partir du champ magnétique externe. La mesure du champ s’effectue sur un ensemble de points de mesures choisis spécialement pour détecter les variations du champ par rapport à un fonctionnement optimal de la pile. Les deux composantes du champ magnétique sensibles aux variations sont utilisées. La mesure du champ exploitable est la différence entre un mode considéré sain et un mode quelconque de fonctionnement. Autour de ces mesures de champ magnétique, un problème inverse est modélisé en explorant plusieurs approches de paramétrisation de la distribution du courant. Le caractère mal posé du problème s’est traduit par la non-unicité de la solution et sa sensibilité au bruit. L’affranchissement de ces problèmes est atteint par la régularisation du modèle inverse. L’outil développé permis de reconstruire la distribution du courant indépendamment de la taille du défaut dans la limite de sensibilité. La validation est faite sur un simulateur électrique de pile à combustible et sur une pile de type GENEPAC dans un environnement de laboratoire. / A noninvasive technique for identifying the current distribution in a fuel cell from the external magnetic field is developed. The magnetic field measurements are carried out on a set of points chosen in order to detect only the variations of the magnetic field in a case of a faulty fuel cell. Two components of the magnetic field are used because they are sensitive to current heterogeneities. The exploitable measurement of the magnetic field is the difference between a healthy mode and a faulty mode.An ill-posed inverse problem is modeled by investigating several parametrization approaches of the current distribution. The ill-posed property of the problem conducts to a non-uniqueness of the solution and a high sensitivity to the noise. A regularization method is used in order to get a stable solution. The developed tool allows identifying the current distribution independently of the size of the fault within the sensitivity limit. A validation is done on a fuel cell simulator and on a GENEPAC fuel cell in a laboratory conditions.