Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juin 2023) / Une approche neurochirurgicale impliquant la stimulation intracérébrale profonde peut être utilisée afin d'atténuer les symptômes moteurs de la maladie de Parkinson lorsque l'efficacité des traitements pharmacologiques diminuent. La précision dans le placement des électrodes de stimulation à l'intérieur du cerveau est critique et les bienfaits cliniques qui découlent de cette chirurgie dépendent directement du positionnement des électrodes. Par conséquent, il est essentiel de mettre en œuvre des méthodes qui pourraient conduire à une meilleure précision du placement des électrodes lors de la chirurgie. Certaines méthodes, telles que l'enregistrement par microélectrode (MER) combiné à l'imagerie par résonnance magnétique (IRM), sont actuellement utilisées par les neurochirurgiens afin d'améliorer la précision du placement des électrodes. Le MER permet d'enregistrer les patrons de décharges d'un seul neurone afin d'identifier la cible et de confirmer l'emplacement des électrodes dans le cerveau. Même si le MER améliore le positionnement des électrodes, il a été démontré que cette méthode augmente le risque de saignement, la durée de l'opération ainsi que la quantité d'anesthésie administrée. Des électrodes contenant une sonde optique guidées grâce à la lumière pourraient être grandement utiles afin d'augmenter la précision durant la chirurgie. La spectroscopie de réflectance diffuse (DRS) est l'une des méthodes qui peut être efficace à cet égard. Cependant, un inconvénient possible de cette méthode est l'endommagement potentiel des tissus qui pourrait être causé par le transfert d'énergie et donc de chaleur vers les tissus. L'objectif général de cette étude est d'évaluer si l'utilisation de techniques de guidage optique utilisant la lumière serait sécuritaire afin d'améliorer la précision des chirurgies DBS. Brièvement, le logiciel PyTissueoptics a été utilisé afin de simuler le transport de la lumière dans le tissu cérébral et de trouver le volume quadratique moyen (RMS) d'absorption d'énergie. Avec ces informations en main, le tissu cérébral a été modélisé dans COMSOL afin de simuler la diffusion de la chaleur et de trouver la fraction de dommage. Dans l'ensemble, nos données suggèrent que l'augmentation de la température induite par l'utilisation de la lumière nécessaire au guidage optique est négligeable et ne serait pas suffisante afin d'induire un dommage significatif au parenchyme cérébral. / Deep brain stimulation surgery is commonly used to alleviate motor symptoms of Parkinson's disease (PD) in its late stages when pharmaceutical treatments become less effective. Precision in accurate placement of electrodes in deep brain structures is extremely important in the clinical outcome of the surgery. Therefore, it is essential to implement methods that can provide better accuracy for electrode placement during surgery. Some methods, such as microelectrode recording (MER), following pre-operative MRI trajectory planning, are currently used by neurosurgeons to gain precision during the surgery. MER records single neuron firing patterns in order to identify the target structure and confirm the location of the electrodes in the brain. Even though MER contributes to improved precision in electrode placement, it has been shown to increase bleeding risk, operation time, and either local or general anesthesia. Light-guided probes could be used to gain more precision during surgery. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) is one of the light-guided methods that can be effective in this regard. However, one possible drawback of this method is the potential tissue damage that could be caused by heat transferred to the tissue. The overarching goal of this study is to assess the safety of using light-guided techniques such as DRS, during DBS surgery. To reach this goal, computer simulations have been done with PyTissueoptics to simulate light transport in the brain tissue and find the root mean square (RMS) volume of energy absorbance and heat-up temperature. This information has then been used into COMSOL to simulate heat diffusion in brain tissue. By doing so, we were able to assess the temperature rise, in conjunction with possible fraction of damage that could occur in brain tissue. Using these simulations, we show that light needed for DRS guided surgery induces minimal temperature rise and non-significant damage to brain tissue.

L'oscillateur optoélectronique (OEO) introduit en 1994 par S. Yao et L. Maleki fut le premier oscillateur microondes incorporant une fibre optique très longue afin d'obtenir une très haute qualité spectrale. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur des applications de l'OEO, un domaine encore peu exploré. L'idée directrice est d'étudier des variations contrôlées de la fréquence d'oscillation et de montrer la faisabilité d'applications correspondantes. Deux possibilités sont abordées ici pour modifier la phase du signal et donc la fréquence d'oscillation. La première consiste à modifier le chemin optique global du système. Après avoir montré la sensibilité du système à une modification de la longueur de boucle, nous avons appliqué ce principe à la mesure de l'indice de réfraction de diverses solutions chimiques avec une précision estimée à cinq millièmes environ. Des améliorations sont possibles et doivent permettre de gagner un ordre de grandeur. Dans la deuxième méthode le signal optique en sortie de la fibre est divisé en deux voies a priori équivalentes. En imposant une variation de l'amplitude du signal dans un des chemins il est possible lors de la recombinaison électronique de modifier la phase globale. Une technique utilisant un amplificateur optique à semi-conducteur conduit à la réalisation d'un OEO contrôlé en tension ; une modulation de fréquence permettant de travailler jusqu'à un indice de modulation d'environ 5,4 est alors mise en œuvre. Une deuxième technique fondée sur un circulateur optique terminé par un interféromètre à fibre permet, grâce à une compensation des effets thermiques, de mesurer par exemple le coefficient d'absorption d'un liquide.

Depuis leur découverte, les matériaux organiques π-conjugués retiennent l'attention des chercheurs. Ces molécules semi-conductrices sont intéressantes pour leurs propriétés optoélectroniques, leur coût compétitif et leur bonne solubilité dans les solvants usuels. Ce dernier attribut leur permet d'être imprimées à grande échelle via différentes méthodes d'impression, ouvrant la porte au domaine de l'électronique imprimée. L'une des applications possibles de ces semi-conducteurs est comme matériaux actifs en cellules photovoltaïques organiques (OPV, pour organic photovoltaics). En effet, deux matériaux π-conjugués peuvent constituer la couche active du dispositif pour générer un photocourant : un semi-conducteur de type p (donneur d'électrons) et un semi-conducteur de type n (accepteur d'électrons). Depuis les 20 dernières années, des polymères π-conjugués ont été principalement étudiés comme matériaux de type p. Bien que plusieurs structures moléculaires présentent des performances très compétitives tout en permettant une stabilité accrue, leur synthèse peut être parfois complexe et coûteuse. Classiquement, des dérivées du fullerène étaient utilisés comme matériaux de type n avec ces polymères. Cependant, celui-ci participe très peu à l'absorption de la lumière et présente certains inconvénients face à la stabilité du dispositif. Une nouvelle gamme de matériaux de type n a fait son apparition depuis 2015 : les petites molécules π-conjugués de type n (NFA, pour non-fullerene acceptors). Ces nouvelles structures permettent d'atteindre continuellement de nouveaux records d'efficacité en cellules photovoltaïques organiques. Ce projet de doctorat vise à étudier différents aspects menant à un dispositif photovoltaïque organique à l'affut des enjeux de la mise à l'échelle. Afin d'obtenir des matériaux polymères performants et peu coûteux, la réaction de polymérisation doit être minutieusement optimisée. Dans un premier temps, l'étude de la polymérisation par (hétéro)arylation directe (DHAP) a été effectuée sur un polymère de type p connu, le PPDT2FBT. La DHAP réduit grandement le coût final du matériau, mais nécessite beaucoup d'optimisation par rapport aux méthodes classiques. Ensuite, ce polymère a été étudié en OPV en gardant l'objectif de la mise à l'échelle des dispositifs. Suivant ces résultats, les travaux ont visé à développer de nouveaux matériaux de type n à jumeler avec ce premier polymère. Vue la complexité synthétique de ces matériaux, des méthodes computationnelles ont été utilisées afin de modéliser les propriétés optoélectroniques. Dans un premier volet, ces méthodes computationnelles ont été méticuleusement optimisées pour ces types de molécules. Ensuite, ces méthodes ont été utilisées pour la conception de nouveaux matériaux de type n. Les travaux de cette thèse montrent de nombreux avancements dans différents aspects de la fabrication de cellules photovoltaïques organiques, soit la conception des matériaux, leur synthèse et la fabrication du dispositif. En plus de matériaux π-conjugués étudiés de façon expérimentale, le développement de plusieurs outils, tant synthétiques que computationnels, ont fait l'objet de ce projet. Les dispositifs les plus performants étudiés dans cette thèse ont montré des efficacités de conversion de puissance au-dessus de 8% et ce, en respectant plusieurs critères de la mise à l'échelle. / Since their discovery, organic π-conjugated materials have gained a lot of attention in the field of functional materials. These semiconducting molecules are particularly interesting for their optoelectronic properties, competitive cost and solubility in common solvents, which enables ink processability. This aspect allows these semiconductors to be fully printed at a large scale, opening-up the field of printed electronics. One of the applications for these materials is as organic photovoltaics (OPVs). In these devices, two semiconductors are integrated in the active layer: a p-type and an n-type material. Most research from the last 20 years has focused on π-conjugated polymers as p-type. Even though several highly efficient molecular structures have been developed, their synthetic complexity remains an issue regarding the material cost. On the other hand, fullerene derivatives were mainly used as n-type materials with these polymers. However, they have poor contributions to the light-harvesting capacity of the photovoltaic cell. More recently, a new class of n-type materials called non-fullerene acceptors (NFAs) has gained a lot of attention. These new molecular structures continuously achieve efficiency records in OPVs. The scope of this project is to study the different aspect leading to a scalable organic photovoltaic device. To get an efficient conjugated polymer at low cost, the polymerization reaction must be carefully optimized. First, this project aims to study the direct (hetero)arylation polymerization (DHAP) of the well-known p-type polymer PPDT2FBT. This polymerization method reduces the material cost, as it decreases the number of synthetic steps required for monomers. However, more optimization is needed compared to traditional methods. The fabrication of OPVs is then investigated while keeping in mind the process scalability. Following these results, NFAs have been developed to be paired with the PPDT2FBT. Since these materials are complex to synthesize, computational methods have been employed to model the optoelectronic properties. The computational methods were first optimized for several NFAs to judge their reliability. Then, they were used to design new materials for OPV. This thesis consolidates several steps in the fabrication of organic photovoltaics, from the molecular design of the organic semiconductors to their synthesis and characterization of devices. Moreover, this work has contributed by developing useful tools, both synthetic and computational. The most efficient photovoltaic device developed in this thesis showed a power conversion efficiency over 8% while having scale-up requirements.

La robotique collaborative connaît ces dernières années une forte croissance, grâce à la pertinence de la collaboration entre les humains et les robots dans un même espace de travail. Des applications industrielles se développent, aussi bien dans les grandes multinationales que dans les PME. Dans le contexte d’une chaîne d’assemblage automobile, de nombreuses problématiques se posent pour permettre la collaboration efficace entre robot et opérateur. Un robot collaboratif conçu dans ce cadre est destiné à effectuer des tâches d’assemblages dans des zones à l’accessibilité complexe. Étant à distance, l’opérateur n’aura pas nécessairement de visuel direct sur l’accomplissement de la tâche, et pour éviter des pertes de temps, il est souhaitable que le robot soit capable de vérifier et de valider automatiquement son bon accomplissement. En découle la problématique à l’étude dans ce mémoire, qui est la vérification automatique du bon accomplissement des tâches d’assemblage effectuées par le robot. Afin d’y répondre, une pré-étude est effectuée, visant à déterminer les possibilités en termes de capteurs et d’algorithmes de détection, et permettant de répondre aux besoins et contraintes de General Motors, commanditaire de cette étude. Chaque chapitre du mémoire présente donc un système de détection, composé d’un capteur et d’un ou plusieurs algorithmes de décision. Les différences en termes de traitement du signal et d’algorithme sont présentées et comparées, en s’appuyant sur des expérimentations. Parmi les types d’assemblages sélectionnés par General Motors, ceux utilisés pour la conception et l’expérimentation des solutions sont les assemblages clipsés (« snap fit ») et les assemblages de connecteurs électriques. Le premier chapitre présente une solution fondée sur l’utilisation de photodétecteurs, secondée par un algorithme vérifiant en temps réel les valeurs renvoyées par le photodétecteur. Lorsque cette valeur descend sous une valeur seuil préétablie, l’algorithme déduit que l’assemblage a été correctement effectué. Cette méthode est simple et robuste, ayant obtenu un taux de détection correcte de la situation d’assemblage de 100% lors des phases de tests. Cependant cette robustesse est contrebalancée par le caractère relativement spécifique de la solution et son peu de flexibilité pour l’adaptation à d’autres assemblages. Le second chapitre porte sur un système employant un accéléromètre destiné à enregistrer les différents mouvements survenant lors de l’assemblage. Suit une méthode de traitement du signal obtenu, permettant de caractériser et de différencier les signaux émanant d’assemblages réussis de ceux provenant d’assemblages ratés grâce à des paramètres statistiques. Ces derniers sont finalement récupérés par deux algorithmes de reconnaissance différents, qui sont ensuite comparés. Le premier algorithme consiste à vérifier la correspondance des paramètres statistiques d’un signal avec des valeurs seuil fixées à l’avance. L’autre méthode, issue de l’apprentissage automatique, utilise les Séparateurs à Vaste Marge pour distinguer deux classes : les assemblages réussis et les assemblages ratés. Après expérimentation, il ressort que ces deux méthodes ont des performances assez similaires , de l’ordre de 90%. Ainsi ce sera le contexte et la complexité du signal à étudier qui présideront au choix d’une méthode. Enfin, le dernier chapitre se penche sur l’emploi d’un microphone et de techniques de reconnaissance sonore pour permettre la bonne identification d’un assemblage de connecteurs électriques. Deux méthodes de traitement, la transformée en ondelettes et les Mel Frequency Cepstrum Coefficients (MFCC), sont comparées. La reconnaissance est assurée par un algorithme basé sur les modèles de mélange gaussiens. A l’issue d’essais où les deux prétraitements ont été mis à l’épreuve, en tenant compte de la résistance face au bruit ambiant, il est possible de constater que la transformée en ondelettes présente des performances supérieures aux MFCC, dans le cadre précis de l’étude. La reconnaissance sonore ne nécessitant qu’un son distinct à identifier pour pouvoir fonctionner, cette solution présente un fort potentiel d’adaptation à d’autres types d’assemblages, mais aussi d’autres problématiques. Ces trois systèmes permettent de balayer un certain éventail de possibilités, et les solutions présentées sont amenées à être croisées et bonifiées afin d’aboutir à des systèmes robustes et fiables, aux standards de l’industrie.

Les performances des modulateurs de lumières à commande optique (OASLMs) à base de cristaux liquides (CLs) dépendent fortement des propriétés de la couche photosensible. Afin de concilier transparence, résolution latérale et production à bas coûts, les semi-conducteurs organiques apparaissent comme des candidats idéaux. Nous avons choisi d'utiliser un mélange P3HT:PCBM comme couche photosensible. Nos résultats ont montré que les cristaux liquides se réorientaient en fonction de l'intensité lumineuse seule et sans tension appliquée. Des mesures complémentaires indiquent que l'effet photovoltaïque est à l'origine de ce phénomène. Ce type de dispositif nous permet de moduler spatialement l'orientation des CLs et démontre son potentiel dans des applications liées à l'holographie. Un second type de dispositif intégrant des couches d'interfaces de PEIE et de PEDOT:PSS nous permet de contrôler l'orientation des CLs et donne de nouvelles pistes permettant de fabriquer des OASLMs autonomes. / The performances of liquid crystals (LCs) based optically addressed Spatial Light Modulators (OASLMs) strongly depends on the photosensitive layer properties. To accommodate device transparency, lateral resolution and low cost production, organic semiconductors appear as the ideal candidates. We chose to use a P3HT: PCBM blend as the photosensitive layer. Our results showed that the liquid crystals reorient according to the luminous intensity alone and without external power supply. Additional measurements indicate that the photovoltaic effect is at the origin of this phenomenon. This type of device allowed spatial modulation of the LCs orientation and demonstrates its potential in holographic applications. A second type of device integrating interfacial layers of PEIE and PEDOT: PSS allowed us to control the orientation of the LCs and gives promising routes towards the design of self-sustainable OASLMs.

Nos travaux de recherche ont été réalisés dans le but de développer de nouveaux nanomatériaux semi conducteurs transparents d‟alliages ZnxV1-xO en couches minces nanostructurées destinés aux applications dans les dispositifs optoélectroniques et en particulier dans les cellules photovoltaïques en couches minces à base de CIGS. L‟objectif principal recherché est de mettre en oeuvre des couches tampons/couches fenêtres à base de matériaux exempte de Cadmium et d‟Aluminium ou d‟Indium, comme le ZnxV1-xO respectivement à forte et à faible concentration de vanadium. L'originalité de mon travail est de réaliser à partir du même procédé de dépôt, deux éléments de la cellule CIGS en employant la technique PVD (rf-magnétron sputtering) dont les cibles de pulvérisation sont constituées de poudre nanocristallines préalablement synthétisées par voie sol-gel. Ce protocole d‟élaboration engendre une diminution conséquente du coût de production. Pour se faire, dans un premier temps des caractérisations structurales, morphologiques, optiques et électriques des films minces obtenus ont été menées et leurs paramètres physiques ont été mesurés pour déterminer les conditions optimales de dépôt des couches souhaitées. Les résultats obtenus montrent que des concentrations en vanadium de 20% et de 1% sont respectivement adéquates pour la réalisation des couches tampons et des Oxydes Transparents et Conducteurs (OTC) envisagés. Enfin, pour prévoir et améliorer les paramètres photovoltaïques, une nouvelle architecture de structure photovoltaïque de type Verre/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo a été définie et modélisée par simulation en utilisant les résultats expérimentaux déjà obtenus. Ce travail a permis de définir les critères auxquels doit répondre l‟absorbeur CIGS pour l‟obtention du meilleur rendement de conversion de la cellule proposée. / Our research work has been performed with the aim of developing new transparent semiconductor nanomaterials of ZnxV1-xO alloys in nanostructured thin films for applications in optoelectronic devices and in particular in photovoltaic cells in CIGS based thin films. Our main objective is to realize buffer layers/window layers based on materials not containing cadmium, aluminum nor indium, such as ZnxV1-xO at respectively high and low vanadium concentration. The originality of my work is in the realization, starting from the same deposition process, of two elements of the CIGS cell using the PVD (rf-magnetron sputtering) technique, in which the sputtering targets are based on nanocrystalline powders previously synthesized by the sol-gel process. This elaboration method gives rise to a significant decrease in the production cost. In order to achieve this, first of all structural, morphological, optical and electrical characterization of the thin films have been carried out and their physical parameters have been measured in order to determine the optimal conditions of deposition for the desired films. The obtained results exhibit that vanadium concentrations of 20% and 1% are respectively suitable for realizing the desired buffer layers and Transparent Conducting Oxides (TCO). Finally, in order to anticipate and improve the photovoltaic parameters, a new architecture of photovoltaic structure of the type Glass/(n+)Zn0.99V0.01O/(n)Zn0.80V0.20O/(p)Cu(In,Ga)Se2 /Mo has been defined and modeled by simulation using the experimental data already obtained. This work has allowed us to define the criteria which the CIGS absorber must respect in order to obtain the best conversion efficiency of the proposed cell.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la problématique de l’intégration de capteurs plasmoniques performants et bas coût sur des dispositifs de type smartphone, en vue d’applications de diagnostic biomédical. A cette fin, nous proposons deux biocapteurs « smart ». Premièrement, un système de détection colorimétrique à base de nanoparticules d’or est mis en œuvre pour détecter de l’ADN. Le système intègre une détection synchrone logicielle mise en œuvre au sein du smartphone, où les signaux physiques transitent par la voie audio. Le processus de diagnostic prend moins de 15 minutes pour une limite de détection de 0.77 nM, approximativement 6 fois meilleure que la sensibilité usuelle d’un spectromètre UV-Vis conventionnel, à temps de mesure identique. Dans une seconde partie, un capteur à résonance plasmon de surface en configuration de Kretschmann, se distinguant par une sensibilité à la phase optique, est développé. Le design monolithique et compact repose sur un interféromètre à dédoublement latéral et une modulation de phase. Le contrôle et la lecture du prototype s’effectue également par smartphone. La modulation de phase est de type sinusoïdale et une sensibilité importante est obtenue, autour de 2,3 10-6 RIU avec une dynamique de 7 10-3 RIU, chiffres obtenus pour une puce optique standard et un temps d’intégration de 100 ms. Ce second dispositif est ensuite testé pour la détection de protéines (Troponine I cardiaque), en fonctionnalisant la surface par ADN Tro4 / In this thesis, we investigate the possibility and potential for integration of portable optical biosensor for diagnostic purposes. To this end, we propose two “smart” biosensor systems. In the first part of this thesis, a DNA biosensor combining single-wavelength colorimetry and digital Lock-in Amplifier within a smartphone is proposed. Utilizing full advantage of audio channel and digital signal processing capacity of a smartphone, we have built a handheld DNA AuNp colorimetry biosensor. Based on the results, the diagnostic process takes only 15 minutes of reaction time while offering a limit of detection around 0.77 nM which is 6 times better than a desktop UV-Vis spectrometer.In second part of the thesis, a Shearing interferometer based Surface Plasmon Resonance (SiSPR) biosensor is proposed. SiSPR allows for phase sensitive detection on conventional Kretschmann configuration. Its monolithic design reduces optical parts, costs and allows portable application. The essence of SiSPR is a reflective layer in addition to plasmonic layer. To extract phase information from SiSPR, a sinusoidal phase modulation is achieved by modulation of the laser injection current. For a 100 ms measurement and a standard optical chip, the sensitivity of the SiSPR is around 2.3x10-6 RIU with a dynamic range of 7.0x10-3 RIU, which is better than amplitude SPR devices. Finally, Tro4 DNA surface modification on the SiSPR chip is demonstrated for future cardiac Troponin I diagnostic

La biophotométrie sur fibre est une technique puissante utilisée en neuroscience pour surveiller les fluctuations dynamiques des niveaux de calcium en corrélation avec des événements neuronaux, tels que la génération de potentiel d’action, l’exocytose de neurotransmetteurs, des modifications de la plasticité synaptique et la transcription de gènes dans les structures cérébrales profondes d’animaux de laboratoire vivants. Cette approche permet également d’étudier la corrélation entre les processus neuronaux et le comportement de modèles animaux vivants afin de percer les mystéres du cerveaux et de nombreuses maladies comme la maladie d’Alzheimer. Les appareils de biophotométrie sur fibre de table classiques utilisent une fibre optique attachée pour émettre de la lumière et récupérer les signaux de fluorescence, ce qui présente un risque de rupture, de contrainte et de blessure potentielle. Ces systèmes sont également encombrants et nécessitent des tensions de fonctionnement élevées. Par conséquent, leur utilité dans les études sur des animaux vivants est limitée. Le but de ce projet est de mettre en place une interface neuronale optique sans fil pour effectuer la détection de fluorescence avec des modèles animaux vivants sans restreindre leurs mouvements ni induire de stress dû au câble. Nous avons conçu un système de biophotométrie par fibre optique sans fil légère et compacte pour une utilisation chronique basée sur un capteur de fluorescence CMOS (Complementary Metal-Oxide- Semiconductor) intégré offrant une sensibilité élevée, une plage dynamique élevée et une consommation d’énergie très faible. Le système de biophotométrie à fibre présenté incorpore tous les aspects d’un système de biophotométrie à fibres englobé dans un sans fil. Les principales contributions de ce travail ont été rapportées dans neuf conférences et trois articles de journaux publiés ou soumis, ainsi que dans une divulgation d’invention. Les mesures de biophotométrie en fluorescence nécessitent un appareil de laboratoire à large plage dynamique (DR) et à haute sensibilité. Cependant, il est souvent très difficile de mesurer avec précision les petites variations de fluorescence en présence de bruit et d’autofluorescence de tissu de fond élevée. Une contribution importante de ce travail concerne le développement de biocapteurs optoélectroniques CMOS intégrés sur mesure et de circuits de traitement permettant de détecter les signaux de fluorescence très faibles et de les convertir en codes numériques de haute précision, afin de construire des dispositifs de détection du cerveau montables sur la tête de souris de laboratoire, très compacts et légers. Nous avons conçu une première puce de biocapteur CMOS haute précision offrant une plage de tension de fonctionnement basse, une basse consommation, une haute sensibilité et une gamme dynamique élevée basée sur une architecture basse tension intégrant un circuit frontal à détection différentielle avec heure [sigma delta] modulation avec un amplificateur de transconductance capacitif différentiel (ATCCD). / Ce nouveau système offre une mise en oeuvre simplifiée ainsi qu’une architecture à faible consommation utilisant une stratégie de partage du matériel. La détection différentielle et les photodiodes factices avec le ATCCD permettent d’atteindre une sensibilité élevée en supprimant les dark current de la photodiode, en utilisant un petit condensateur d’intégration dans le ATCCD. Les résultats de mesure sont présentés pour le capteur de biophotométrie proposé, fabriqué avec une technologie CMOS de 0.18 mm, consommant 41 mWd’une tension d’alimentation de 1.8 V, tout en atteignant une gamme dynamique maximale de 86 dB, une bande passante de 50 Hz, une sensibilité de 24 mV/nW et un courant minimum détectable de 2.6-pArms à un taux d’échantillonnage de 20 kS/s. Un autre défi critique pour un système de photométrie à fibre pour petits animaux concerne la gestion de la consommation de courant importante nécessaire à la source de lumière d’excitation pour fournir une puissance de sortie de lumière suffisante au tissu afin de déclencher la fluorescence. Par conséquent, des impulsions lumineuses d’excitation courtes doivent être utilisées par rapport à la période d’échantillonnage du signal de fluorescence (>10 ms), afin de réduire la consommation de courant moyenne et d’allonger la durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette exigence critique, nous avons amélioré notre conception avec un deuxième prototype de biocapteur utilisant de nouvelles techniques de circuit pour offrir une sensibilité élevée et une plage dynamique élevée avec un temps de conversion réduit permettant l’utilisation d’impulsions lumineuses à cycle de fonctionnement réduit et de consommation faible. Le biocapteur est basé sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) à comptage étendu, et un convertisseur analogique-numérique de premier ordre SD, dont le fonctionnement est synchronisé avec les impulsions lumineuses d’excitation. Le biocapteur présente une gamme dynamique de 104 dB à un temps de conversion de 3 % de la période d’échantillonnage du signal de fluorescence et réduit la consommation électrique de la DEL de 97 %. Un dernier aspect critique concerne la flexibilité du biocapteur pour effectuer des tests fiables in vivo. Réaliser un test pratique in vivo nécessite d’ajuster la sensibilité du biocapteur et la puissance de sortie de la DEL du biocapteur afin de s’adapter à différents niveaux de fluorescence et différents environnements physiologiques à l’intérieur des tissus de l’animal vivant. Ainsi, nous avons conçu un troisième biocapteur incorporant une sensibilité et un temps de conversion programmables afin d’optimiser la consommation d’énergie de DEL et de permettre un très faible facteur de fonctionnement excitation/détection. Cette toute nouvelle architecture de capteurs utilise un CAN à temps discret [sigma delta] avec une technique de double échantillonnage numérique corrélée permettant la détection de photocourants inférieurs à 1 pArms. Cette conception a été utilisée comme module de base pour développer un prototype de headstage sans fil. Nous avons mis en place et testé in vitro avec succès ce système de biophotométrie à fibre, qui comprend la puce de biocapteur proposée, avec une tranche de cerveau de souris exprimant GCaMP6, un indicateur de calcium génétiquement codé. / Fiber biophotometry is a powerful technique in neuroscience to monitor the dynamic fluctuations in calcium levels correlated with neural events, such as action potential generation, exocytosis of neurotransmitters, changes in synaptic plasticity, and gene transcription in deep brain structures in live laboratory animals. This approach allows studying the correlation between neuronal processes and the behavior of live animal models in order to learn more about the brain function and its associated diseases. Conventional bench-top fiber biophotometry apparatus use a tethered optical fiber to deliver light and to retrieve fluorescence signals, which involves risk of breakage, stress, and potential injury. These systems are also bulky and require high operating voltages. Therefore, their usefulness to conduct studies with live animals is limited. The goal of this project is to implement a wireless optical neural interface to perform fluorescence sensing with live animal models without restraining their movement or inducing stress due to cable tethering. We designed a lightweight and compact size wireless fiber biophotometry headstage for chronic utilization based on a custom integrated Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) fluorescence sensor providing high-sensitivity, high-dynamic range, and very low-power consumption. The presented head-mountable fiber biophotometry system incorporates all aspects of a conventional tethered fiber-based biophotometry system encompassed into a wireless headstage. The main contributions of this work were reported in nine conferences and three journal papers published or submitted, and in one invention disclosure. Fluorescence biophotometry measurements require wide dynamic range (DR) and high-sensitivity laboratory apparatus. But, it is often very challenging to accurately resolve the small fluorescence variations in presence of noise and high background tissue autofluorescence. An important contribution of this work concerns the development of custom integrated CMOS optoelectronic biosensors and processing circuits to detect very weak fluorescence signals, and to convert them into high-precision digital codes, for building very compact and lightweight head-mountable brain sensing devices for laboratory mice. We first designed a high-precision CMOS biosensor chip providing low operating voltage, low-power, high-sensitivity, and high-dynamic range based on a low-voltage architecture that embeds a differential sensing front-end circuitry with a continuous-time [sigma delta] modulation with a differential capacitive transconductance amplifier (DCTIA). This novel system offers a simplified implementation as well as a low-power architecture leveraging a hardware sharing strategy. Differential sensing and dummy photodiodes with the DCTIA enables to achieve high-sensitivity by suppressing the photodiode dark currents and using a small integration capacitor in the DCTIA. Measurement results are presented for the proposed biophotometry sensor fabricated in a 0.18-mm CMOS technology, consuming 41 mW from a 1.8-V supply voltage, while achieving a peak dynamic range of 86 dB over a 50-Hz input bandwidth, a sensitivity of 24 mV/nW and a minimum detectable current of 2.46-pArms at a 20-kS/s sampling rate. / Another critical challenge for a head-mountable fiber photometry system is when handling the large current consumption needed for the excitation light source to provide sufficient light output power to the tissue in order to trigger fluorescence. Hence, short excitation light pulses must be used, relative to the sampling period of the fluorescence signal (>10 ms), in order to decrease the average current consumption, and extend the battery lifetime. To address this critical requirement, we improved our design with a second biosensor prototype using novel circuit techniques to provide high-sensitivity and a high-dynamic range with a short conversion time to allow the utilization of low-duty cycle light pulses and low-power consumption. The biosensor is based on an extended counting ADC, first-order [sigma delta] and single slope ADC, whose operation is synchronized with the excitation light pulses. The biosensor presents a high-dynamic range of 104 dB at a conversion time of 3 % of the fluorescence signal sampling period and decreases the power consumption of the excitation light source by 97%. A last critical aspect concerns the flexibility of the biosensor to perform reliable tests in-vivo. Performing a practical test in-vivo requires to adjust the biosensor sensitivity and the excitation light source output power of the biosensor to adapt to different fluorescence levels and different physiological environments inside the live animal tissues. Thus, we designed a third biosensor incorporating a programmable sensitivity and a programmable conversion time to optimize the excitation light power consumption, and to enable very low excitation/sensing duty cycle. This completely new sensor architecture utilizes a discrete time SD ADC with digital correlated double sampling technique enabling detection of low photocurrents as low as 1 pArms. This design was used as a core module to develop a wireless head-mountable optical headstage prototype. We have implemented and sucessfully tested this fiber photometry headstage, which includes the proposed biosensor chip, in-vitro with a mouse brain slice expressing GCaMP6, a genetically encoded calcium indicator.